Chemical Reviews封面文章｜刘涛团队/罗小舟团队联合发表基因密码子扩展领域最新进展

时间：2025年1月4日

来源：北京大学药学院

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2024年12月31日，我院天然药物及仿生药物全国重点实验室刘涛团队和中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成生物化学研究中心罗小舟团队在国际著名学术期刊《化学评论》（Chemical Reviews，影响因子51.4）联合在线发表了题为“Genetic code expansion: recent developments and emerging applications”的综述文章，并被选为期刊封面（图1）。文章从系统层面详细概述了基因密码子扩展技术（GCE）的现状以及面临的挑战与机遇，并重点论述了其在合成生物学、生物机制研究和新型治疗等前沿领域的应用潜力。

图1. 配图入选Chemical Reviews杂志封面（封面设计师：范仕芸、刘怡宁）

长期以来，DNA和RNA一直被视为存储和传递遗传信息的分子，而蛋白质则是生命活动的主力军。然而，天然蛋白质仅由20种天然氨基酸构成，这一定程度上限制了蛋白质的结构与功能多样性。如今，基因密码子扩展（GCE）技术正在打破这一局限，为生命科学研究带来全新可能。该技术通过引入正交的氨酰-tRNA合成酶（aaRS）/tRNA对，在活细胞甚至完整生物体内的蛋白质翻译过程中，精准地将非天然氨基酸（ncAA）定点引入蛋白质。迄今，已有超过200种功能独特的ncAA成功通过用于GCE技术，其多样的化学基团推动了分子生物学、合成生物学以及生物医学领域的快速发展。GCE技术不仅拓展了蛋白质的化学潜力，也为研究人员探索、操控和开发蛋白质功能，以及创新治疗手段提供了全新的工具。

该篇综述全面回顾了GCE技术过去5年的最新进展。文章梳理了GCE技术的诞生过程、优化方法及其广泛应用（图2），详述了科学家近年来在关键环节的突破，包括翻译元件的优化、正交aaRS/tRNA对筛选方法的改进以及ncAA的生物合成等策略（图2）。此外，文章还深入探讨了GCE技术的多领域创新性应用，从新型生物材料的设计，到更高效的药物递送系统，再到更优的基因编辑工具与疫苗研发方法（图2）。GCE技术也在合成生物学和基础生物机制研究中展现出了强大的潜力（图2）。如今，GCE技术已覆盖从原核到真核的各个角落。未来，随着该技术效率和正交性的进一步提升，以及更多功能性ncAA的成功开发，GCE技术有望催生具备全新功能的复杂生物系统，为生物学与医学领域带来更深远的影响。

图2. GCE技术的优化与应用

中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成生物化学研究中心罗小舟研究员和北京大学药学院刘涛教授为该文的共同通讯作者。北京大学药学院博士毕业生黄雨佳，深圳先进院合成所生化中心助理研究员张盼，北京大学药学院硕士毕业生王浩宇为共同第一作者。中国科学院大学/深圳先进院合成所生化中心联合培养在读硕士生陈燕对文章撰写也做出重要贡献。该工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市自然科学基金以及深圳先进院杰青计划等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00216

作者简介：

罗小舟，研究员，博士生导师，国家级青年人才。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所所长助理、深圳合成生物学创新研究院院长助理、合成生物化学研究中心执行主任、合成生物大设施副总工艺师，国家生物制造产业创新中心 CTO，森瑞斯生物科技（深圳）有限公司创始人。2010年于新加坡南洋理工大学获得学士学位，2016年于美国圣地亚哥斯克里普斯研究所获得化学专业博士学位（导师Peter G. Schultz院士），2016-2019于加州大学伯克利分校进行博士后研究（合作导师Jay D. Keasling院士）。2019年加入中国科学院深圳先进技术研究院。研究成果发表于Nature、Chemical Reviews、Nature Metabolism、Advanced Science、Nature Synthesis、Nature Communications、Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名学术期刊，共计发表SCI论文40余篇，申请专利68余项，授权15项。先后入选各级高层次人才项目，获2023南山十大杰出青年、2024年度广东省生产力促进协会科技创新促进奖——科技服务突出贡献奖一等奖等荣誉。研究方向包括酶的定向进化、蛋白质工程、高通量筛选以及天然及非天然化合物的生物全合成。

刘涛，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、北京市杰出青年科学基金获得者。北京大学药学院分子与细胞药理学系主任。Journal of Molecular Biology 和Chinese Chemical Letter 杂志编委。中国医药生物技术协会合成生物学分会委员、中国生物工程学会合成生物学分会青年工作组委员。获中国药学会生物医药青年奖、拜耳学者奖、屠呦呦青年学者奖、北大王选青年学者奖等。以通讯作者身份在Nat Chem、Nat Chem Biol、Mol Cell、Nat Commun、Sci Adv、Chem、JACS、ACIE等发表论文30余篇。研究集中在基于细胞工程的蛋白质非天然氨基酸编码技术，通过化学修饰实现蛋白质，病毒以及细胞等生物技术药物的升级换代与创新。

黄雨佳，2017年于北京大学药学院获理学学士学位，2023年于北京大学药学院化学生物学专业获理学博士学位，师从刘涛教授，研究方向为新型GCE技术的开发及GCE技术在细胞治疗中的应用。以第一作者或共同作者身份在Chemical Reviews、Nature Chemical Biology、JACS、Molecular Cell、Science Advances、ACS Synthetic Biology等期刊上发表多篇学术论文。

张盼，微生物学博士，深圳“鹏城孔雀计划”特聘岗位人才 (C档)，现为中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员，研究方向为微生物合成生物学，以第一作者 (或共一) 身份在Chem Rev、mBio、mLife、J Mol Biol、Microbiol Spectr、Microbiol Res等国际主流期刊上发表多篇学术论文，主持或参与了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划等课题的研究。

王浩宇，2022年于北京大学药学院获理学学士学位，2024年于北京大学药学院化学生物学专业获理学硕士学位，师从刘涛教授，研究方向为计算辅助下的生物正交反应在GCE技术的应用。以第一作者或共同作者身份在Chemical Reviews、Chem、JACS、Nature Communications、Angewandte Chemie等期刊上发表多篇学术论文。