氨基酸是蛋白质的基本成分，对生物结构的最佳功能至关重要。所有生命形式的蛋白质都由 20 种核心氨基酸组成。然而，自然界提供了 500 多种不同的氨基酸，令人印象深刻。此外，人类还创造了大量的合成氨基酸。这些替代氨基酸为开发创新药物和治疗方法带来了希望。

现在，特拉华大学工程学院化学与生物分子工程系助理教授 Aditya Kunjapur 实验室的研究人员通过改造细菌，合成了一种含有稀有功能基团的氨基酸。研究人员还教导单一细菌菌株制造这种氨基酸，并将其置于目标蛋白质的特定位点。这些研究成果发表在《自然-化学生物学》（Nature Chemical Biology）上，为今后开发独特的疫苗和免疫疗法奠定了基础。

Kunjapur 实验室利用合成生物学和基因工程的工具，创造出能够合成不同类型化合物和分子的微生物，特别是那些具有自然界中不常见的功能基团或特性的微生物。

在这项研究中，研究人员重点研究了对硝基-L-苯丙氨酸（pN-Phe），这是一种非标准氨基酸，既不是二十种标准氨基酸之一，也没有在自然界中观察到。其他研究小组利用对硝基-L-苯丙氨酸作为一种工具，刺激免疫系统对其通常忽略的蛋白质产生反应。

Kunjapur说："硝基化学官能团具有宝贵的特性，但试图重新连接新陈代谢的人们对它的探索还不够。"pN-Phe在文献中也有很好的历史--它可以添加到小鼠的蛋白质上，然后再送回小鼠体内，免疫系统将不再容忍该蛋白质的原始版本。这种能力有望治疗或预防由免疫系统难以锁定的流氓蛋白质引起的疾病。

遗传密码扩展方法使研究人员能够增加 DNA 编码的可用氨基酸"字母表"。通过将新陈代谢工程技术与遗传密码扩充技术相结合，研究人员创建了一个能够自主生产硝化蛋白质的系统。

Kunjapur说："由于硝基官能团的化学性质，我们为这个项目选择的氨基酸是非常规的，我们领域的许多科学家可能都没有想到它可以通过生物合成来制造。"

这项研究的下一步是优化他们的方法，以合成更大量的硝化蛋白，并将这项工作扩展到其他微生物。长期目标是进一步完善这一平台，将其应用于疫苗或免疫疗法，Kunjapur 的努力得到了 2021 年 AIChE Langer 奖和 2022 年美国国立卫生研究院院长新创新者奖的支持。为了进一步支持这一长期目标，Kunjapur 和本文第一作者、博士候选人 Neil Butler 共同创办了 Nitro Biosciences 公司。

Butler勒说："我认为这很有意义，因为你可以利用细菌的中心代谢及其生产不同化合物的能力，只需稍加改动，就能扩大其化学成分的范围。硝基功能在生物学中是罕见的，标准的 20 种氨基酸中也不存在这种功能，但我们证明细菌的新陈代谢具有足够的延展性，可以通过重新接线来创造和整合这种功能。"

Kunjapur 补充说："细菌是潜在的有用药物输送载体。我们认为，我们已经创造了一种工具，可以利用细菌在体内产生目标抗原的能力，并利用硝化能力同时照亮这些抗原。"