介绍一篇发表在Nature上的文章“Hijacking a bacterial ABC transporter for genetic code expansion”，通讯作者是来自苏黎世联邦理工学院的Kathrin Lang教授，她的主要研究方向是遗传密码扩展和体内新型化学反应。

在遗传密码扩展技术（Genetic Code Expansion, GCE）中，非天然氨基酸（ncAA）的细胞摄取效率低是限制蛋白质合成效率的一大因素。针对这一问题，本文作者创新性地提出了一种“劫持”细菌转运系统（尤其是寡肽转运系统Opp）的新策略，通过将异肽键连接的三肽（Z-XisoK）作为“特洛伊木马”，将其转运进入细菌中后三肽切割即可释放ncAA，最终实现ncAA的高效导入与编码的目的。

在实验中，作者设计并合成了一系列异肽键连接的三肽（如G-AisoK、G-SisoK等），其中XisoK为待导入的ncAA。这些三肽可通过固相肽合成方便获得。通过构建大肠杆菌转运系统（如OppA、OppB、OppC、OppD等）各个蛋白的敲除株，作者证实了Opp转运系统在三肽摄取中的核心作用。异肽键三肽可被Opp系统主动摄取，并在胞内被肽酶切割释放ncAA，显著提高了胞内ncAA浓度（比直接添加高5–10倍），从而显著提升ncAA的编码效率。OppA（周质结合蛋白）及其下游转运组分（OppB/C/D）共同实现对三肽的转运，其中OppA对三肽的识别主要依赖其N端和C端结构，而非侧链，因而具有良好的底物兼容性。随后，通过构建肽酶（如PepA、PepN）敲除株，结合蛋白表达分析，作者确定三肽在胞内被是被肽酶切割从而释放ncAA。

在实现方法构建和机制阐释后，作者尝试将该系统进一步扩展，以实现更广泛的GCE应用。首先，作者建立通用G-XisoK工具箱，导入多种功能ncAA。随后，为解决三肽在富营养培养基（如2-YT）中被竞争性抑制的问题，作者通过定向进化OppA实现富营养培养基中的高效表达。

最后，作者通过改变三肽N端残基（Z），可导入原本难以进入细胞的ncAA（如带负电或体积大的残基），如光交联剂、生物正交基团、PTM类似物等。作者合成14的种Z-AisoK三肽中，8种可在野生型中高效导入，6种需工程化的OppA变体。更重要的是，作者实现了双重ncAA共导入：通过设计含有两个不同ncAA的三肽（如AcK-pLisoK），利用正交的PylRS/tRNA系统，即可实现单个蛋白中两个不同ncAA的共编码，为研究翻译后修饰与蛋白相互作用提供了新工具。

总的来说，本文开发了一种模块化、可进化、通用性强的ncAA导入新策略，通过工程化细菌ABC转运系统，使ncAA的导入不再依赖其自身膜通透性，而是通过三肽载体和可进化的OppA变体实现，极大拓展了GCE的化学空间和实用性，为蛋白质工程、合成生物学和生物药物开发提供了强有力的工具平台。

本文作者：FTY

责任编辑：MB

DOI：10.1038/s41586-025-09576-w

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09576-w