2019 年，新版教材将“组成人体蛋白质的氨基酸”由 20 种更新为 21种，第 21 种是 1986 年发现的硒半胱氨酸（selenocysteine）。实际上，将主语由“人体”换成“生物体”，其组成蛋白质的氨基酸已经有 22 种，第 22 种是 2002 年发现的吡咯赖氨酸（pyrrolysine），只存在于甲烷菌中。
这些新近发现的、不太常见的氨基酸引发了思考：是否还有其他未被发现的氨基酸？能否设计出新的氨基酸？如果可以，它们能实现哪些应用？
在蛋白质合成过程中，DNA 或 mRNA 序列被以三个核苷酸为一组的密码子翻译为氨基酸序列。若能改变密码子、转运 RNA 和氨基酸之间既定的对应关系，势必会出现 22 种氨基酸以外的非规范氨基酸（ncAA），进而产生新功能的肽、蛋白质和聚合物，衍生出一系列新药和新疗法。
近年来，Jason Chin 和 George Church 两位合成生物学大牛围绕着 ncAA 开展学术研究，相继在 Science、Nature 期刊发表重要进展，并基于研究转化出 Constructive Bio 和 GRO Biosciences 公司。
从创造更好的细胞因子到辅助基因治疗，这两家公司正通过开发新氨基酸，为药物开发和其他应用带来更多可能。
Constructive Bio：正在研发具有新功能的复杂生物制剂
Constructive Bio 成立于 2022 年，同年 8 月凭借 1500 万美元的种子资金加速走出隐匿模式。它的成立依托于 Jason Chin 教授在医学研究委员会分子生物学实验室（MRC-LMB）数十年的研究。
▲图丨Constructive Bio 的创始人兼首席科学家 Jason Chin（来源：FINANCIAL TIMES）
自 2019 年起，Jason Chin 团队持续取得重要进展。他们对大肠杆菌进行重编程，将天然存在的 64 组密码子减少为 61 组密码子，得到工程大肠杆菌菌株 Syn61。这一策略更改了密码子与氨基酸的对应关系，利用 Syn61 能够生产新型 ncAA。在 2021 年发表于 Science 的研究中，他们成功在单个蛋白质中同时添加三种 ncAAs。
（来源：Science）
Constructive Bio 目前正在研发具有新功能的复杂生物制剂，着眼于细胞因子药物不稳定的问题。细胞因子药物在严格的用药条件下可能非常脆弱，导致无法发挥（结构相同的）天然细胞因子的功能。Constructive Bio 重新设计提高其稳定性，可以减少服用次数或剂量。
Constructive Bio 的解决方案是在 ncAA 水平上与氨酰-tRNA 合成酶的发现联系起来。
团队使用正交元素，即仅与新型 ncAA 及其密码子发生反应的元素，来最大程度地减少交叉反应。正交性取决于选择正确的起点。例如，在合成酶发现中，更有利的做法是从吡咯赖氨酰-tRNA 合成酶 (PylRS) 开始。
不过，这些酶必须经过进化，才能开始通过活性位点只识别感兴趣的非规范氨基酸（和tRNA），使反应具有特异性和高保真度。
Constructive Bio 计划从小规模发酵转向大规模发酵，并表示，“不会止步于药品领域，还将追求'未来完全可编程的聚合物’。”
（来源：Nature）
根据资料，Constructive Bio 目前正在开发两种平台技术，除了基因组重编程，公司致力于构建完全合成的基因组，今年 6 月 28 日在 Nature 发文称，已实现以数百 kbp 的规模组装合成 DNA，并用其合成对应物替换原有的基因组。
GRO Biosciences：改变免疫系统对蛋白质的耐受性
GRO Biosciences（GRObio）转化自 George Church 在 2015 年发表于 Nature 的一项研究。自 2016 年成立后，获得了来自拜耳、Redmile 集团、Digitalis 和 Innovation Endeavors（谷歌前首席执行官 Eric Schmidt）等的投资。公司专注于基于蛋白质的疗法。
（来源：Nature）
在这项研究中，研究人员改变了大肠杆菌密码子的偏好性，使其依赖 ncAA 生存。最终，这项工作产生了基因组重新编码的生物体（GRO）。Dan Mandell 为本文的第一作者，他也是 GRObio 的联合创始人兼首席执行官。
这项工作具有重要的启示意义：第一，其他密码子也可以被重新编码；第二，单密码子的重新编码可以允许 nsAA 不限位置和次数地被添加到蛋白质中。
目前，GRObio 正在研究的生物体将重新分配七个密码子。根据 GRObio 的说法，它将是一个“彻底重新编码的有机体”，不是通过基因组编辑来制造，而是通过全基因组合成来创建。利用这一策略改造后的微生物，可以在单个蛋白质中，同时添加四个不同的 nsAAs。
GRObio 有两种平台化学物质：DuraLogic 和 ProGly。
DuraLogic 可以延长蛋白质的半衰期，通过药效曲线的扁平化——即没有服用过多或过少药物所带来的峰值和谷值——实现给药的剂量更低、次数更少。
ProGly（可编程糖基化）利用预糖基化的 nsAAs 来改变免疫系统对蛋白质的耐受性，可以用来治疗自身免疫性疾病。根据 GRObio 的说法，这一过程的关键是树突状细胞，ProGly 药物将树突状细胞从刺激性转变为耐受性。
简单来说，GRObio 使用 ProGly 修饰已知抗原，使其具有可耐受的糖基特征。这样一来，在呈递已知抗原产生免疫反应的情况下，病人会对 ProGly 版本耐受。
GRObio 的第一个项目是针对自身免疫性疾病重症肌无力。该公司希望 ProGly 药物能让患者耐受乙酰胆碱受体，而 85% 的重症肌无力患者对乙酰胆碱受体有反应。据悉，该药物在重症肌无力大鼠模型中获得了较好的临床前数据。
GRObio 还可以利用这一平台让患者对外部来源的蛋白质产生耐受，例如，蛋白质疗法会引起抗体反应，从而导致药物的活性随着时间的推移而降低。通过制造市场上销售的酶替代疗法的 ProGly 版本，GRObio 可以创建一种不会在患者体内诱导抗体的版本。该酶不会被阻断或清除，聚糖也不会干扰其活性。
基于这种可以抑制免疫反应的系统， GRObio 正在向基因治疗领域挺进。
基因治疗的致命弱点是无法控制人体对载体——尤其是腺相关病毒（AAV）的免疫反应。有了控制免疫反应的机制，就可以对那些先前已对 AAV 发生血清转换（因而没有资格接受其他基于 AAV 的治疗）的人进行治疗。鉴于许多不良反应都是由于对 AAV 载体的免疫反应引起的，这种机制还能使基因疗法更加安全。
GRObio 认为，当使用类似的策略来治疗自身免疫性疾病时，通过使用空病毒样颗粒的 ProGly 版本，有望使患者对 AAV 衣壳中的关键蛋白质产生耐受。GRObio 计划就这一目标与基因治疗公司合作。
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