介紹一篇發表在Nature上的文章“Hijacking a bacterial ABC transporter for genetic code expansion”，通訊作者是來自蘇黎世聯邦理工學院的Kathrin Lang教授，她的主要研究方向是遺傳密碼擴展和體內新型化學反應。

在遺傳密碼擴展技術（Genetic Code Expansion, GCE）中，非天然氨基酸（ncAA）的細胞攝取效率低是限制蛋白質合成效率的一大因素。針對這一問題，本文作者創新性地提出了一種“劫持”細菌轉運系統（尤其是寡肽轉運系統Opp）的新策略，通過將異肽鍵連接的三肽（Z-XisoK）作為“特洛伊木馬”，將其轉運進入細菌中后三肽切割即可釋放ncAA，最終實現ncAA的高效導入與編碼的目的。

在實驗中，作者設計并合成了一系列異肽鍵連接的三肽（如G-AisoK、G-SisoK等），其中XisoK為待導入的ncAA。這些三肽可通過固相肽合成方便獲得。通過構建大腸桿菌轉運系統（如OppA、OppB、OppC、OppD等）各個蛋白的敲除株，作者證實了Opp轉運系統在三肽攝取中的核心作用。異肽鍵三肽可被Opp系統主動攝取，并在胞內被肽酶切割釋放ncAA，顯著提高了胞內ncAA濃度（比直接添加高5–10倍），從而顯著提升ncAA的編碼效率。OppA（周質結合蛋白）及其下游轉運組分（OppB/C/D）共同實現對三肽的轉運，其中OppA對三肽的識別主要依賴其N端和C端結構，而非側鏈，因而具有良好的底物兼容性。隨后，通過構建肽酶（如PepA、PepN）敲除株，結合蛋白表達分析，作者確定三肽在胞內被是被肽酶切割從而釋放ncAA。

在實現方法構建和機制闡釋后，作者嘗試將該系統進一步擴展，以實現更廣泛的GCE應用。首先，作者建立通用G-XisoK工具箱，導入多種功能ncAA。隨后，為解決三肽在富營養培養基（如2-YT）中被競爭性抑制的問題，作者通過定向進化OppA實現富營養培養基中的高效表達。

最后，作者通過改變三肽N端殘基（Z），可導入原本難以進入細胞的ncAA（如帶負電或體積大的殘基），如光交聯劑、生物正交基團、PTM類似物等。作者合成14的種Z-AisoK三肽中，8種可在野生型中高效導入，6種需工程化的OppA變體。更重要的是，作者實現了雙重ncAA共導入：通過設計含有兩個不同ncAA的三肽（如AcK-pLisoK），利用正交的PylRS/tRNA系統，即可實現單個蛋白中兩個不同ncAA的共編碼，為研究翻譯后修飾與蛋白相互作用提供了新工具。

總的來說，本文開發了一種模塊化、可進化、通用性強的ncAA導入新策略，通過工程化細菌ABC轉運系統，使ncAA的導入不再依賴其自身膜通透性，而是通過三肽載體和可進化的OppA變體實現，極大拓展了GCE的化學空間和實用性，為蛋白質工程、合成生物學和生物藥物開發提供了強有力的工具平臺。

本文作者：FTY

責任編輯：MB

DOI：10.1038/s41586-025-09576-w

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09576-w