通过劫持制造蛋白质的细胞机制，生物工程师开发了一种工具，可以让他们更好地了解蛋白质合成，探索抗生素如何工作，并将细胞转化为定制的化工厂。
所有生命都归功于核糖体，这是一种庞大而勤劳的分子机器，它读取从DNA转录的RNA模板，并利用这些信息将氨基酸串联成蛋白质。细胞需要功能正常的核糖体才能生存——但它们很难被改造。如果工程改造的分子偏离标准设计太远，细胞就会死亡。
伊利诺伊大学芝加哥分校的生物化学家亚历山大·曼金说：“一个工程改造的核糖体学会更好地完成你想要的工作，但它开始忘记如何完成它的正常工作。”
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曼金与伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的生物化学工程师迈克尔·朱厄特等人合作，创建了一种可以进行修改的核糖体。他们的成果发表在《自然》杂志上。
巨型机器
核糖体是RNA和蛋白质的聚合物，比典型的酶大数百倍。RNA被认为是核糖体大部分工作的负责人，这项工作相当可观——它以每秒最多20个氨基酸的速度产生蛋白质，且错误率极低。“核糖体值得一切尊重，”曼金说。
正是这些特性吸引了像朱厄特这样的生物工程师的注意。这些研究人员希望创造出可以进行其他化学反应并吐出新型聚合物，或将非天然氨基酸整合到可用作药物的蛋白质中的核糖体。
每个核糖体都包含两个缠绕的RNA分子团，一个小的亚基和一个大的亚基。这些亚基结合在一起将信使RNA序列翻译成蛋白质，然后分离。当需要制造另一种蛋白质时，它们会再次组装，尽管不一定与相同的伙伴组装。“在某种程度上，它们非常滥交，”曼金说。
包办婚姻
这种滥交阻碍了改造核糖体以整合非天然氨基酸或其他化合物的努力。工程改造的和天然的亚基混合和匹配，降低了细胞产生正常蛋白质的能力。
曼金和朱厄特的团队决定，解决方案是将两个工程改造的亚基结合在一起。目前尚不清楚这种方法是否有效：人们认为核糖体以两个不同的单元存在是因为它们的正常功能需要这样做。
研究人员使用一段RNA将大的亚基和小亚基拴在一起，花了几个月的时间才使连接的长度和位置恰到好处，以便机器仍然可以正常工作。“我们当然有几次差点说‘好吧，生物学赢了’，”朱厄特说。
该团队在缺乏功能性RNA的大肠杆菌细胞中筛选了他们拴系的核糖体，并最终找到了足够有效以支持某些生长的工程改造核糖体，尽管生长缓慢。然后，他们测试了他们的平台，以确认拴系的核糖体可以与天然核糖体并肩工作。
加州斯坦福大学的结构生物学家约瑟夫·普格利西说，这一结果为生物工程师打开了一个分子游乐场：通过将人工亚基拴在一起，他们可以根据自己的喜好调整工程改造的机器，而不会停止细胞生长。普格利西希望利用该系统来研究核糖体如何运作。马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的生物工程师詹姆斯·柯林斯说，他的实验室可能会利用该系统来研究抗生素——许多抗生素通过与细菌核糖体结合来发挥作用。
朱厄特希望看到该系统能为合成生物学做些什么，也许可以生产新的抗生素或非天然聚合物。“我们才刚刚处于领先地位，”他说。“我们将尝试以独特和变革性的方式扩展遗传密码。”
本文经许可转载，并于2015年7月29日首次发表。