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？

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***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

Julie Trolle 选择将工作***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

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。

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