美国陆军合成生物学研究朝着新型高性能材料发展

从事美国陆军项目的合成生物学家已经制定了一套设计规则，可以指导核糖体（一种制造蛋白质的细胞结构）如何导致新型合成聚合物，这些合成聚合物可以为士兵创造出高性能的新型材料和疗法。

从事美国陆军项目的合成生物学家已经开发出一种工艺，该工艺可能导致产生一类新的合成聚合物，从而为士兵创造出新型的高性能材料和疗法。

2019年11月8日，《自然通讯》（Nature Communications）发表了由西北大学（Northwestern University）军方资助的研究人员进行的研究，研究人员制定了一套设计规则，以指导核糖体（一种制造蛋白质的细胞结构）如何掺入可以结合的新型单体与相同的分子形成聚合物。

陆军研究办公室聚合物化学项目经理Dawanne Poree博士说：“这些发现是实现序列定义的合成聚合物的令人振奋的一步，这对聚合物化学领域来说是一个巨大的挑战。”“利用和适应细胞机械产生非生物聚合物的能力，实质上将把合成材料带入生物功能领域。这可以提供先进的高性能材料，例如纳米电子，自愈材料以及陆军感兴趣的其他材料。”

生物聚合物（例如DNA）具有精确的构件序列，可提供多种高级功能，例如信息存储和自我复制。该项目研究了如何对生物机械进行重新设计，使其能够与非生物构件一起工作，这将为创建具有生物精确度的合成聚合物提供途径。

Poree说：“这些新的合成聚合物可以促进先进的个人防护装备，先进的电子设备，燃料电池，先进的太阳能电池和纳米加工的开发，这些都是保护士兵和保护其性能的关键。”

“我们着手扩大蛋白质合成的核糖体单体的范围，以为生物制造提供新的方向，”查尔斯·德林克·麦考密克卓越教学教授，化学与生物工程学教授，合成生物学中心主任迈克尔·杰维特（Michael Jewett）说。在西北麦考密克工程学院就读。“令人兴奋的是，我们了解到核糖体可以容纳比我们预期更多的单体，这为使用核糖体作为通用机器创造以前从未合成过的材料和药物类别奠定了基础。”

核糖体产生的重组蛋白通过合成生物药物（如胰岛素）和用于洗衣粉的工业酶，改变了数百万人的生活。然而，在自然界中，核糖体仅将天然氨基酸单体掺入蛋白质聚合物中。

为了扩大核糖体使用的单体库，Jewett的团队着手确定将单体连接至转移核糖核酸（称为tRNA）的设计规则。那是因为让核糖体使用新的单体并不像向核糖体中引入新的单体那样简单。单体必须与tRNA相连，tRNA是将它们带入核糖体的分子。当前将单体连接到tRNA的许多方法既困难又费时，但是一种称为flexizyme的相对较新的方法可以使单体更容易和更灵活地连接。

为了制定使用弹性酶的设计规则，研究人员从一个简单的脚手架库中创建了37种对核糖体来说是新的单体。然后，他们表明可以连接到tRNA的单体可用于制造数十种新的肽杂种。最后，他们通过可预测地指导寻找更多新单体来验证其设计规则。

杰维特说：“有了新的设计规则，我们表明我们可以避免历史上与开发用于核糖体的新单体有关的反复试验方法。”

这些新的设计规则应加快研究人员掺入新单体的步伐，最终将导致核糖体合成新的生物产物。例如，由耐蛋白酶的单体制成的材料可能会导致抗药性不断提高的抗菌药物。

这项研究是美国国防部（ARO）资助的国防部多学科大学研究计划的一部分，该计划正在与其他三所大学的研究人员合作，将核糖体改造为生物催化剂，以制造新型化学聚合物。ARO是美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室的组成部分。

杰维特说：“核糖体可以容纳我们展示的单体宽度，真是令人惊讶。”“这对于将来重新利用核糖体的努力确实令人鼓舞。”

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参考：Joongoo Lee，Kenneth E. Schwieter，Andrew M.Watkins，Do Soon Kim，Hao Yu，Kevin J. Schwarz，Jongdoo Lim，Jaime Coronado，Michelle Byrom，Eri​​c V.“用核酶扩展了第二个遗传密码的限制” Anslyn，Andrew D.Ellington，Jeffrey S.Moore和Michael C.Jewett，2019年11月8日，Nature Communications.DOI：
10.1038 / s41467-019-12916-w

得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员正在研究一种类似的技术，以开发附着力，适应性和响应性材料，这是与ARL和陆军未来司令部达成合作协议的一部分。