氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位。在所有生命系統(tǒng)中，組成蛋白質(zhì)的標準氨基酸總共有 20 種。動物只能制造其中的 11 種，另外 9 種則需要外源獲?。欢蠖鄶?shù)植物和微生物卻擁有所有 20 種氨基酸的生物合成途徑。在數(shù)億年前，動物祖先同樣擁有這些合成途徑。那么，在動物進化的過程中，這 9 種途徑何時以及為何丟失？動物又能否以某種方式再次產(chǎn)生氨基酸？

近期，美國的一個研究團隊使用合成生物學和工程學手段，在哺乳動物細胞中恢復了必需氨基酸的生物合成。 相關報告以題“Resurrecting essential amino acid biosynthesis in mammalian cells”發(fā)表于 eLife 期刊。該研究提供了開創(chuàng)性證據(jù)，表明哺乳動物系統(tǒng)可能允許恢復必須氨基酸生物合成途徑，預計將在合成生物學、生物技術等領域產(chǎn)生廣泛影響。紐約大學朗格健康中心系統(tǒng)遺傳學研究所的 Julie Trolle 和哥倫比亞大學生物科學系的 Ross McBee 為本文共同***作者。

01 在哺乳動物細胞中合成纈氨酸

該項研究以中國倉鼠卵巢（CHO）K1 細胞系作為模型系統(tǒng)，因為它生成時間快，易于進行遺傳操作，有全基因組序列，并且在生產(chǎn)生物制品方面有既定的工業(yè)相關性。

研究人員首先確認，CHO 細胞系實際上對 9 種必需氨基酸中的每一種都是營養(yǎng)缺陷型菌株，也就是說，CHO-K1 細胞系在缺乏 9 種必需氨基酸的培養(yǎng)基中不能生長。

▲圖丨CHO-K1 中的氨基酸缺失生長測定

Julie Trolle 選擇將工作***放在纈氨酸上，因為它與另一種必需氨基酸——異亮氨酸的化學性質(zhì)相似。她認為，一個可以生產(chǎn)纈氨酸的細胞也可以生產(chǎn)異亮氨酸，這可能會使其比單一的氨基酸生產(chǎn)途徑工程更有效。

研究人員根據(jù)從大腸桿菌中挖掘的基因（編碼通常不在動物細胞中產(chǎn)生的酶），設計了密碼子優(yōu)化的生物合成途徑。這些途徑以 3 千堿基為單位從頭合成，在酵母中組裝。并將該途徑引入 CHO-K1 細胞系。從邏輯上來說，這些細胞將由此獲得合成纈氨酸和異亮氨酸的能力。

▲圖丨CHO-K1 細胞中纈氨酸生物合成途徑的恢復

Julie Trolle 將工程細胞和一組對照細胞放入缺乏一種或兩種氨基酸的培養(yǎng)基中，以觀察它們是否能存活。

結果顯示，兩種細胞在沒有異亮氨酸的培養(yǎng)基中都不能很好地存活，也代表它們都沒能產(chǎn)生異亮氨酸；在不含纈氨酸的培養(yǎng)基中，工程細胞繼續(xù)生存良好，與對照細胞形成了對比，這表明工程細胞自己產(chǎn)生了纈氨酸。

不過，研究中存在一個問題。雖然證明了該工程細胞能夠生產(chǎn)纈氨酸，但是生產(chǎn)速度卻并不穩(wěn)定，產(chǎn)量從 20 天開始逐漸減少，到 40 天時更是如此。這一現(xiàn)象也在提交發(fā)表時遭到了審稿人的質(zhì)疑。

之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象是由途徑中間物 2,3-二羥基-3-異戊酸的積累導致。于是，Julie Trolle 嘗試添加了一個額外的基因拷貝，該基因編碼的酶可以將中間物轉(zhuǎn)化為下一個產(chǎn)物。經(jīng)此操作，這些細胞產(chǎn)生纈氨酸的速度比之前要高，并且在整個 40 天的實驗中纈氨酸產(chǎn)量持續(xù)增加。

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