Development and Applications of Unnatural Organisms with a 21 Amino Acid Genetic Code

项目摘要/摘要： -- 在大多数生物中，其遗传密码由和三个核苷酸组成，编码20个氨基酸组成的建筑。 BLOCKS被用来研究蛋白质的合成过程。但是，国际研究计划的总体目标是继续发展。 跨学科的研究工具需要对人类遗传密码进行重新编程，以精确地探测和操纵生物免疫系统。 对基因密码子进行重新编程的中心任务是提高我们在蛋白质中添加非规范氨基酸(NCAA)的能力。 令人感兴趣的是，这项新提案的总体目标是继续开发能够进行生物合成的细胞，并利用NCAAs进行研究和探索。 这些非自然生物体参与了蛋白质的进化和治疗的发展。为了实现这一目标，我们的目标是。 第一，我们的研究方向将集中在第二代完全自主的生物有机体的研究上，并将在21世纪推出新的品种。 氨基酸。随着21世纪氨基酸的增加，原核细胞和真核细胞都将拥有一条新的生物合成途径。 一对高度生物正交化的氨基酰基-tRNA合成酶(AARS)/tRNA对用于构建新的氨基酸组成块。 NCAAs的生物合成和途径将无法通过重新利用代谢途径从其他物种或物种那里获得。 具体地说，将这些NCAA基因整合到蛋白质中，我们将进一步进化出生物正交的AARS/tRNA对，并将它们添加到蛋白质中。 建立新的细胞。由此产生的具有21世纪氨基酸组成的生物将不会允许我们利用这一新颖的蛋白质的新的进化过程。 活动以及各种新疗法的未来发展趋势。要想真正进化出一种新的疗法或增强酶的活性，并不是一件容易的事。 通过研究20种典型的氨基酸，以及一个含有NCAA的基因酶和突变体的文库，将不会在未来产生。 这些非自然生物必须接受基于荧光激活的细胞免疫分选系统(FACS)的检测或存活。 选择。这种基因是由NCAA依赖的酶进化而来的，因此可以用它来防止细菌的意外扩散。 利用转基因生物来制备自养生物疫苗。接下来，我们将继续探索这些疫苗的潜在实用价值。 非天然生物体需要额外的蛋白质来构建治疗药物开发所需的物质。 真核生物干细胞能够生物合成蛋白质，并利用具有生物正交柄的氨基酸，这些蛋白质将不会被用来生产。 抗体变异体具有优化的治疗效果。我们设计了免疫干细胞，并增加了新的细胞构建块。 这将允许进一步改变嵌合抗原受体(CAR)-免疫干细胞的特异性，从而提供一种新的方法。 新的设计和战略适用于可切换的汽车免疫干细胞。我们在这个新项目中所做的所有努力将产生更多的免疫系统。 含有额外氨基酸的生物体正在构建积木、蛋白质和蛋白质，这将导致为基于NCAA的生物构建一个通用的生物平台。 蛋白质或治疗性蛋白质的进化可能会给现代医学带来革命性的变化。

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT    In  most  organisms,  the  genetic  code,  consisting  of  64  triplets  of  nucleotides,  encodes  20  amino  acid  building  blocks  used  in  the  synthesis  of  proteins.  The  overall  goal  of  the  PI’s  research  program  is  to  develop  interdisciplinary  tools  to  reprogram  the  genetic  code  to  precisely  probe  and  manipulate  biological  systems.  Central to reprogramming the genetic code is our ability to add noncanonical amino acids (ncAAs) to proteins of  interest. The overall goal of this proposal is to develop cells able to biosynthesize and utilize ncAAs and explore  the utility or these unnatural organisms in protein evolution and therapy development. To achieve this goal, the  first  research  direction  will  focus  on  the  generation  of  completely  autonomous  organisms  with  a  variety  of  21st  amino acids. The prokaryotic and eukaryotic cells with the 21st amino acid will harbor a biosynthetic pathway and  a  bioorthogonal  aminoacyl-­tRNA  synthetase  (aaRS)/tRNA  pair  for  the  new  amino  acid  building  block.  The  biosynthesis  pathway  of  ncAAs  will  be  obtained  from  other  species  or  via  metabolic  repurposing.  To  site-­ specifically incorporate these ncAAs into proteins, we will evolve bioorthogonal aaRS/tRNA pairs and add them  to  the  cells.  The  resulting  organisms  with  a  21st  amino  acids  will  allow  for  the  evolution  of  proteins  with  novel  activities  as  well  as  the  development  of  new  therapies.  To  evolve  novel  or  enhanced  enzyme  activity  not  accessible by the 20 canonical amino acids, a library of ncAA-­containing enzyme mutants will be generated in  the  unnatural  organisms  and  subjected  to  a  fluorescence-­activated  cell  sorting  (FACS)-­based  or  survival  selection.  The  evolved  ncAA-­dependent  enzymes  can  be  used  to  prevent  the  unintended  proliferation  of  genetically  modified  organisms  or  to  prepare  autotrophic  vaccines.  Next,  we  will  explore  the  utility  of  these  unnatural  organisms  with  additional  protein  building  blocks  for  therapeutic  development.  The  prokaryotic  and  eukaryotic cells able to biosynthesize and utilize amino acids with bioorthogonal handles will be used to produce  antibody  variants  with  optimized  therapeutic  efficacy.  Engineered  immune  cells  with  additional  building  blocks  will allow for the redirection of the specificity of chimeric antigen receptor (CAR)-­immune cells, thus providing a  new  design  strategy  for  switchable  CAR-­immune  cells.  Our  efforts  in  this  project  will  yield  a  collection  of  organisms  with  additional  amino  acids  building  blocks,  and  will  result  in  versatile  platforms  for  ncAA-­based  protein evolution or therapeutic proteins that could revolutionize modern medicine.