加利福尼亞州Scripps Research Institute及Skaggs Institute for Chemical Biology in La Jolla的一個研究小組對一種大腸桿菌進行修飾，使其能夠利用22種氨基酸的遺傳密碼。

“我們已經證實，兩個人造氨基酸能夠同時結合到同一個多肽中去”，Scripps化學研究的負責人Peter G.Schultz博士說。 “我們現在知道遺傳密碼可以擴展到22氨基酸，接下來的問題是我們最多可以擴展到多少?”

在即將發表的期刊Proceedings of the National Academy of Sciences中，這個研究組敘述了他們如何對E. coli進行改進以產生具有22種氨基酸的肌球蛋白，即除了天然存在的20種氨基酸，還結合了人造氨基酸O-甲基-L-酪氨酸(注：O-methyl-L-tyrosine)和L-同型谷氨酸(注：L- homoglutamine)。

數年來科學家一直致力于在實驗室中合成含有這種人造氨基酸的蛋白質，但直到Schultz和他的同事若干年前開始這一領域的研究為止，還沒有人找到能將人工氨基酸加入到有機體遺傳密碼中的方法。Schultz的團隊早期的研究描述了一些在化學和生物學中具有多種用途的單個的人工氨基酸結合到E. coli和釀酒酵母中的成果。

最近的研究成果極為有用，因為它證明了多個人造氨基酸能被加入到同一種被修飾過的有機體的遺傳密碼中。這個原理驗證階段(注：proof-of-principle)的工作為在同一個生物體中同時合成含有3―個4甚至更多新氨基酸的蛋白的研究打開了大門。

為什么要擴增遺傳密碼?

我們知道，生命在分子水平上是有相同的基本單位構成。例如，地球上所有的生命形式都是使用同樣的四個堿基形成DNA。并且，我們所知道的所有生命形式很少有例外地都是利用相同的20種氨基酸(也是僅有的20種)去合成蛋白質。

問題是為什么氨基酸的數量就停止在了20上，為什么獨獨選擇了20?

雖然這個問題很難回答，但是20種氨基酸障礙卻不是絕對的。事實上，在某些罕見的例子中，某些有機體發展了利用人造氨基酸硒氨酸(注：selenocysteine)和吡咯賴氨酸(注：pyrrolysine)的能力，這兩種氨基酸是將半胱氨酸和賴氨酸進行略微修飾的產物。

除了這些罕見的“例外”，科學家努力去尋找在試管中和活細胞環境中將人造氨基酸結合到蛋白質中的方法，因為這些新穎的蛋白質在生物醫學基礎研究中有很大的利用價值。它們為研究和掌握一些基礎的生物學進程提供了一個強有力的工具，特別是現代生物物理學和細胞生物學領域中一些最迷人的問題，包括細胞內信號傳導和蛋白運輸，以及蛋白折疊、蛋白質相互作用等等。

例如，有些新氨基酸含有熒光基團，可以用于合成帶有熒光標記的蛋白以便在活體中進行觀察。這在目前尤其有用武之地，因為人類基因組組成問題已經得到解決，而科學家正將他們的注意力轉移到基因在細胞中具體功能的問題上來。另外一些人造氨基酸含有光親和標簽(注：photoaffinity labels，光活化基團)和其他的“交聯”基團，可以用于示蹤蛋白質間的相互作用，在細胞內將相互作用的蛋白結合起來。純化這些連接在一起的蛋白有助于讓科學家了解活細胞中相互的蛋白――即使那些運用目前的方法難以檢測到的弱相互作用。

人工氨基酸在醫藥也有重要意義，許多用于治療的蛋白質需要對其進行修飾，例如添加聚合體(注：polymers)、交聯劑(注：crosslinking agents)和細胞毒分子(注：cytotoxic molecules)等化學基團進行修飾。2003年，Schultz 和它的Scripps Research同事研究結果揭示糖基化氨基酸(注：glycosylated amino acids)可以結合到特定位點，合成糖基化蛋白――一這是制備某些藥物的重要步驟。

新型的疏水氨基酸、重金屬結合氨基酸和含有spin labels的氨基酸對檢測他們所插入的蛋白的結構是很有用的。而且，含有類似“酮基”的基團可以用于添加耦聯其他化合物分子例如糖類，而糖分子與具有治療功能的蛋白質的產生、活性有關。

Schultz和他的同事通過利用多出來地遺傳密碼成功地構建出22種氨基酸E. coli。在轉錄的過程中，酶閱讀基因的DNA堿基(A、G、C、T)，并將其轉錄成RNA(A、G、C、U)得到的“信使RNA”接著被另一種稱為核糖體的蛋白質和RNA復合體翻譯成蛋白質。核糖體需要轉運RNA分子(tRNA)的協助，每個tRNA裝載有不同氨基酸分子，當然這還需要一種“裝載”酶的幫助。每個tRNA分子識別位于mRNA上的一種獨特的三聯密碼子，并裝載上與密碼子相對應的一個氨基酸。 在蛋白質合成中，與mRNA上下一個密碼子相對應的tRNA裝載著正確的氨基酸到達其正確位置時，核糖體將氨基酸加入到正在延伸的蛋白質鏈中。

遺傳密碼的富余是由于可能存在的密碼子數量多于氨基酸能利用到的數量。事實上，4個堿基有64種可能的組合形成密碼子(4x4x4)，或者說在mRNA中由四種字母任意構成的三聯體密碼有64個。有機體只利用僅僅20種氨基酸，因此不是所有潛在的密碼子組合都是必須的。但自然無論如何也是會利用它們的。部分多余的密碼子編碼同一個氨基酸，并且它們中的三個是無意密碼子――它們不編碼任何氨基酸。

這些無意密碼子是有用的，因為正常情況下，當合成蛋白質的核糖體到達一個無意密碼子時，核糖體就會從mRNA上解離出來，合成也就終止了。因此，無意義密碼子也被稱為終止密碼子。它們中的一個，即琥珀終止密碼子UAG在Schultz的研究中扮演了一個重要角色。

Schultz 和他的同事知道，如果他們能給細胞提供一個能夠識別UAG的tRNA分子，并提供一個特殊的能將人工氨基酸裝配到tRNA上所需的合成酶的話，科學家就有機會將人工氨基酸插入到他們需要的蛋白質的特定位點。他們需要找出一對能夠相互作用tRNA/合成酶，然而又不和大腸桿菌中的其他內源tRNA/合成酶交叉作用。因此，他們設計出一個方法去改造一個合成酶的特異性，使之能選擇性地接受人工氨基酸。

以甲烷球菌(注：Methanococcus jannaschii)的tRNA/合成酶對為材料，他們構建了一個E.coli細胞庫，每個帶有一個突變地甲烷球菌合成酶，他們改變了酶的特異性，從而可以利用來識別人工氨基酸O-甲基-L-酪氨酸。

研究人員先設計了一種正篩選實驗，只要orthogonal tRNA能代上任意一種氨基酸的大腸桿菌就能存活。然后再設計一個負選試驗，識別UAG的tRNA攜帶的氨基酸如果不是O-methyl-L-tyrosine，那細菌就會死。通過兩個實驗，研究人員找到了僅識別人工氨基酸的orthogonal tRNA和對應和合成酶突變體。在這種大腸桿菌中，當核糖體在讀mRNA時遇到UAG就會將人工氨基酸O-methyl-L-tyrosine插入正在合成的蛋白肽鏈中。由于一個mRNA上任意密碼子突變為UAG后，翻譯得到的蛋白質的相應位點上就會插入新的氨基酸，這使得研究人員可以在大腸桿菌的蛋白合成中定點插入新的氨基酸。

同樣的方法，研究人員利用極地古細菌Pyrococcus horikoshii構建出可以識別AGGA.的一對改造的tRNA/合成酶。tRNA有一個4個堿基的反密碼子環，當E. coli細胞中的核糖體閱讀mRNA時遇到AGGA，它就會將人造氨基酸L-homoglutamine插入到這一位點。將兩套系統置入同一E. coli細胞中, Schultz和他的同事證實了這種技術可能性。這使得將來進行更多點的人工氨基酸替換成為可能。