生物學教科書告訴我們，地球上所有生命體的蛋白質都只由20種氨基酸構成。理論上說，氨基酸的種類可以是極其龐大的，但為什么生命體中只出現了這20種氨基酸？長久以來，科學家一直在探索這一問題，并試圖使用其他氨基酸構建蛋白質。

1月10日，英國醫學研究委員會分子生物學實驗室（LMB）的研究團隊在《自然》雜志報告說，他們開發出一種有效的方法來誘導細菌，可將結構上不尋常的非常見氨基酸添加到蛋白質中，目前已成功了4個氨基酸。

從化學結構上說，生物體使用的20種常見氨基酸都被稱為α-氨基酸，此外還有分子主鏈上有獨特曲折的β-氨基酸和γ-氨基酸。制造蛋白質最便宜的方法是設計活細胞來生產蛋白質，合成化學家曾將數十種非標準的α氨基酸摻入蛋白質中，合成出一種新的生命形式，但大量結構更奇異的氨基酸還沒有成功過。

蛋白質合成有兩個關鍵步驟：轉錄和翻譯——首先，短鏈的轉運RNA（tRNA）將氨基酸運送到細胞的蛋白質組裝器——核糖體中，每個tRNA都能編碼特定的氨基酸，通過氨酰tRNA合成酶將氨基酸連接到合適的tRNA上；其次，攜帶著氨基酸的tRNA與包含所有遺傳信息的信使RNA（mRNA）長鏈結合，完成遺傳信息的復制，隨著核糖體的移動，把氨基酸不斷輸送到這個長鏈中。

蘇黎世大學的化學家Alexandria Deliz Liang將蛋白質制造比作組裝火車：首先必須裝載火車車廂，然后將這些車廂連接在一起。為了生產新種類的蛋白質，研究人員必須讓這兩個步驟同時發揮作用。LMB的化學家Jason Chin補充道：“如果其中任何一個不起作用，系統就會失敗。”。

在第一步中，生命體使用的20種氨基酸，均有其相應的氨酰tRNA合成酶，能專一性地辨認氨基酸的側鏈和tRNA。正是因為這樣專一性酶的存在，mRNA的遺傳信息才能準確無誤地反映在蛋白質的氨基酸序列上。

研究人員以此為突破口，通過突變氨酰tRNA合成酶的基因，創造出數百萬種可能與外來氨基酸結合的替代版本。然后，他們將這些酶插入大腸桿菌，觀察核糖體是否能成功地將這些外來氨基酸結合到蛋白質中。結果發現了8種成功裝載外來氨基酸的酶，其中4種能被大腸桿菌的天然核糖體結合到生長中的蛋白質鏈中，包括3種β-氨基酸和1種α-α-氨基酸。

“我們打破了僵局。”Chin說。

未參與此項研究的加州大學歐文分校化學家Chang Liu表示：“將這些新類別的氨基酸轉化為蛋白質是一項巨大的成就。”威斯康星大學麥迪遜分校的化學家Samuel Gellman表示，盡管這只是原理的證明，但很可能會對未來產生重大影響。首先，這種方法有助于醫藥公司設計對體內酶具有耐藥性的蛋白質類藥物；其次，由于這些不常見的氨基酸的形狀與標準版本不同，這種方法還可以用于改進工業催化劑。

不過，這項研究仍然依賴于核糖體能否接受不尋常的氨基酸。因此，研究團隊也在努力改變核糖體本身，希望通過系統突變，使其能夠識別自然界中沒有的tRNA編碼，并接受形狀不尋常的氨基酸。Chin表示，隨著研究的推進，相信團隊能夠對細菌進行改造，制造出完全由非常見氨基酸組成的、擁有全新特性的蛋白質類聚合物材料。