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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？（來源：eLife）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(guān)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(shù)等領(lǐng)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 為本文共同第一作者。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(guān)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（來源：eLife）Julie Trolle 選擇將工作重點放在纈氨酸上，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(shè)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（來源：eLife）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(jié)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。向制造完全自養(yǎng)動物細胞邁出一步Julie Trolle 希望這項工作能應(yīng)用于細胞培養(yǎng)方法。例如，培養(yǎng) CHO 細胞所使用的培養(yǎng)基很昂貴，而且通常依賴于動物產(chǎn)品。使用自養(yǎng)細胞會更容易且更具成本效益，并且會使諸如在實驗室中培育肉類等過程變得更加可行。細胞生物學家和遺傳學家 Andrew Hessel 評價這項工作說：“這是一個開創(chuàng)性的、令人鼓舞的結(jié)果，這是向制造完全自養(yǎng)細胞邁出的非常酷的第一步。既然 Julie Trolle 已經(jīng)證明了動物細胞產(chǎn)生纈氨酸是可行的，接下來生產(chǎn)不同的氨基酸可能只是時間問題?！彼固垢４髮W合成生物學家 Drew Endy 認為，可以設(shè)計這些途徑來生產(chǎn)其他從未實現(xiàn)生物合成的氨基酸，可能由此獲得新的蛋白質(zhì)和藥物。Drew Endy 是 DNA 合成公司 Gen9 的聯(lián)合創(chuàng)始人之一。目前，完全自養(yǎng)動物細胞似乎尚存在于科幻小說中。文章的通訊作者 Jef Boeke 想要超越 CHO 細胞，將新設(shè)計的途徑整合到胚胎干細胞中，由此獲得能夠自己產(chǎn)生纈氨酸的小鼠。不過，他也表示，讓細胞實際產(chǎn)生這些氨基酸可能會產(chǎn)生一些無法預料的后果。在進化研究的角度，這項工作表明哺乳動物的新陳代謝可以恢復古老的核心通路。現(xiàn)在也有一些研究試圖將合成代謝功能恢復到元動物系，然而，以前的研究強調(diào)，必需氨基酸的生物合成往往能量成本較高，這可能也是這些途徑在進化過程中從生物體中消失的原因。至于現(xiàn)代后生動物是否可以重新接受這些途徑以恢復很久以前喪失的生物合成能力，或者進化是否使必須氨基酸途徑與后生動物代謝不相容，可能還需要更多的研究數(shù)據(jù)來支持。