氨基酸是组成蛋白质的基本单位。在所有生命系统中，组成蛋白质的标准氨基酸总共有 20 种。动物只能制造其中的 11 种，另外 9 种则需要外源获取；而大多数植物和微生物却拥有所有 20 种氨基酸的生物合成途径。
在数亿年前，动物祖先同样拥有这些合成途径。那么，在动物进化的过程中，这 9 种途径何时以及为何丢失？动物又能否以某种方式再次产生氨基酸？
（来源：eLife）
近期，美国的一个研究团队使用合成生物学和工程学手段，在哺乳动物细胞中恢复了必需氨基酸的生物合成。 相关报告以题“Resurrecting essential amino acid biosynthesis in mammalian cells”发表于 eLife 期刊。该研究提供了开创性证据，表明哺乳动物系统可能允许恢复必须氨基酸生物合成途径，预计将在合成生物学、生物技术等领域产生广泛影响。纽约大学朗格健康中心系统遗传学研究所的 Julie Trolle 和哥伦比亚大学生物科学系的 Ross McBee 为本文共同第一作者。
01
在哺乳动物细胞中合成缬氨酸
该项研究以中国仓鼠卵巢（CHO）K1 细胞系作为模型系统，因为它生成时间快，易于进行遗传操作，有全基因组序列，并且在生产生物制品方面有既定的工业相关性。
研究人员首先确认，CHO 细胞系实际上对 9 种必需氨基酸中的每一种都是营养缺陷型菌株，也就是说，CHO-K1 细胞系在缺乏 9 种必需氨基酸的培养基中不能生长。
▲图丨CHO-K1 中的氨基酸缺失生长测定（来源：eLife）
Julie Trolle 选择将工作重点放在缬氨酸上，因为它与另一种必需氨基酸——异亮氨酸的化学性质相似。她认为，一个可以生产缬氨酸的细胞也可以生产异亮氨酸，这可能会使其比单一的氨基酸生产途径工程更有效。
研究人员根据从大肠杆菌中挖掘的基因（编码通常不在动物细胞中产生的酶），设计了密码子优化的生物合成途径。这些途径以 3 千碱基为单位从头合成，在酵母中组装。并将该途径引入 CHO-K1 细胞系。从逻辑上来说，这些细胞将由此获得合成缬氨酸和异亮氨酸的能力。
▲图丨CHO-K1 细胞中缬氨酸生物合成途径的恢复（来源：eLife）
Julie Trolle 将工程细胞和一组对照细胞放入缺乏一种或两种氨基酸的培养基中，以观察它们是否能存活。
结果显示，两种细胞在没有异亮氨酸的培养基中都不能很好地存活，也代表它们都没能产生异亮氨酸；在不含缬氨酸的培养基中，工程细胞继续生存良好，与对照细胞形成了对比，这表明工程细胞自己产生了缬氨酸。
不过，研究中存在一个问题。虽然证明了该工程细胞能够生产缬氨酸，但是生产速度却并不稳定，产量从 20 天开始逐渐减少，到 40 天时更是如此。这一现象也在提交发表时遭到了审稿人的质疑。
之后，研究人员发现，这种现象是由途径中间物 2,3-二羟基-3-异戊酸的积累导致。于是，Julie Trolle 尝试添加了一个额外的基因拷贝，该基因编码的酶可以将中间物转化为下一个产物。经此操作，这些细胞产生缬氨酸的速度比之前要高，并且在整个 40 天的实验中缬氨酸产量持续增加。
02
向制造完全自养动物细胞迈出一步
Julie Trolle 希望这项工作能应用于细胞培养方法。例如，培养 CHO 细胞所使用的培养基很昂贵，而且通常依赖于动物产品。使用自养细胞会更容易且更具成本效益，并且会使诸如在实验室中培育肉类等过程变得更加可行。
细胞生物学家和遗传学家 Andrew Hessel 评价这项工作说：“这是一个开创性的、令人鼓舞的结果，这是向制造完全自养细胞迈出的非常酷的第一步。既然 Julie Trolle 已经证明了动物细胞产生缬氨酸是可行的，接下来生产不同的氨基酸可能只是时间问题。”
斯坦福大学合成生物学家 Drew Endy 认为，可以设计这些途径来生产其他从未实现生物合成的氨基酸，可能由此获得新的蛋白质和药物。Drew Endy 是 DNA 合成公司 Gen9 的联合创始人之一。
目前，完全自养动物细胞似乎尚存在于科幻小说中。
文章的通讯作者 Jef Boeke 想要超越 CHO 细胞，将新设计的途径整合到胚胎干细胞中，由此获得能够自己产生缬氨酸的小鼠。不过，他也表示，让细胞实际产生这些氨基酸可能会产生一些无法预料的后果。
在进化研究的角度，这项工作表明哺乳动物的新陈代谢可以恢复古老的核心通路。现在也有一些研究试图将合成代谢功能恢复到元动物系，然而，以前的研究强调，必需氨基酸的生物合成往往能量成本较高，这可能也是这些途径在进化过程中从生物体中消失的原因。
至于现代后生动物是否可以重新接受这些途径以恢复很久以前丧失的生物合成能力，或者进化是否使必须氨基酸途径与后生动物代谢不相容，可能还需要更多的研究数据来支持。
参考资料：1.https://elifesciences.org/articles/72847#info
