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

具有21个氨基酸遗传密码的非自然生物的开发与应用

基本信息

  • 批准号:
    10640232
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 37.84万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-01 至 2024-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

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.
项目摘要/摘要   在大多数生物体中,遗传密码由64个核苷酸组成,编码20个氨基酸建筑物 用于合成蛋白质的块。 PI研究计划的总体目标是开发 跨学科工具将通用代码重新编程为精确探测和操纵生物系统。 重编程通用代码的中心是我们将非规范氨基酸(NCAA)添加到蛋白质的能力 兴趣。该提案的总体目标是开发能够生物合成和利用NCAA并探索的细胞 蛋白质进化和治疗开发中的效用或这些不自然的生物。为了实现这一目标, 第一个研究方向将集中于以各种第21的全部自主生物的产生 氨基酸。 21氨基酸的原核和真核细胞将带有生物合成途径,并且 新型氨基酸构建块的生物正交氨基酰基-TRNA合成酶(AARS)/TRNA对。这 NCAA的生物合成途径将从其他物种或通过代谢重新定位获得。到现场 - 特别将这些NCAA纳入蛋白质中,我们将进化生物正交的AARS/tRNA对并添加它们 到细胞。带有21氨基酸的生物生物可以使蛋白质与新颖 活动以及新疗法的发展。进化新颖或增强的酶活性而不是 可以通过20个规范氨基酸来访问,将在含NCAA的酶突变体的库中产生 不自然的组织,并受到荧光激活的细胞分选(FACS)的基础或存活 选择。进化的NCAA依赖性酶可用于防止意外的增殖 转基因的生物或制备自养疫苗。接下来,我们将探索这些效用 不自然的生物具有其他蛋白质构建块,用于治疗性发育。原核生物和 真核细胞可以和使用生物正交手柄的氨基酸来生产 具有优化治疗有效性的抗体变体。具有其他构件的工程免疫细胞 将允许重定向嵌合抗原受体(CAR) - 免疫细胞的特异性,从而提供了 可开关的CAR-MMUNE细胞的新设计策略。我们在这个项目中的努力将产生 带有其他氨基酸的生物体,并将为基于NCAA的多功能平台提供多功能平台 蛋白质进化或可以彻底改变现代医学的蛋白质。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Single-Atom Switching as a General Approach to Designing Colorimetric and Fluorogenic Probes for Mercury Ions.
  • DOI:
    10.1016/j.dyepig.2020.109014
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    A. Loredo;Lushun Wang;Shichao Wang;Han Xiao
  • 通讯作者:
    A. Loredo;Lushun Wang;Shichao Wang;Han Xiao
Tetrazine as a general phototrigger to turn on fluorophores.
  • DOI:
    10.1039/d0sc01009j
  • 发表时间:
    2020-05-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Loredo A;Tang J;Wang L;Wu KL;Peng Z;Xiao H
  • 通讯作者:
    Xiao H
ZipA Uses a Two-Pronged FtsZ-Binding Mechanism Necessary for Cell Division.
  • DOI:
    10.1128/mbio.02529-21
  • 发表时间:
    2021-12-21
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Cameron TA;Vega DE;Yu C;Xiao H;Margolin W
  • 通讯作者:
    Margolin W
Site-Specific Incorporation of a Photoactivatable Fluorescent Amino Acid.
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