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.
项目概要/摘要   在大多数生物体中,遗传密码由 64 个核苷酸三联体组成,编码 20 个氨基酸结构。 PI 研究计划的总体目标是开发用于蛋白质合成的模块。 重新编程遗传密码以精确探测和操纵生物系统的跨学科工具。 重新编程遗传密码的核心是我们向蛋白质中添加非规范氨基酸 (ncAA) 的能力 该提案的总体目标是开发能够生物合成和利用 ncAA 的细胞并进行探索。 这些非自然生物在蛋白质进化和治疗开发中的效用。为了实现这一目标, 第一个研究方向将集中于生成具有各种 21 世纪的完全自主的有机体 具有第21个氨基酸的原核和真核细胞将具有生物合成途径并且 用于新氨基酸构建模块的生物正交氨酰基-tRNA 合成酶 (aaRS)/tRNA 对。 ncAA 的生物合成途径将从其他物种或通过代谢重新利用获得。 专门将这些 ncAA 整合到蛋白质中,我们将进化生物正交 aaRS/tRNA 对并将其添加 所产生的具有第 21 个氨基酸的生物体将允许具有新颖蛋白质的进化。 活性以及新疗法的开发,而不是发展新的或增强的酶活性。 通过 20 种规范氨基酸可访问,将生成包含 ncAA 的酶突变体的文库 非自然生物体并进行基于荧光激活细胞分选(FACS)的或生存 进化的 ncAA 依赖性酶可用于防止非预期的增殖。 接下来,我们将探讨这些的用途。 具有用于治疗开发的额外蛋白质构建块的非天然生物体。 将使用能够通过生物正交手柄生物合成和利用氨基酸的真核细胞来生产。 具有优化治疗功效的抗体变体,具有额外的构建模块。 将允许重新定向嵌合抗原受体(CAR)免疫细胞的特异性,从而提供 我们在这个项目中的努力将产生一系列可切换 CAR 免疫细胞的新设计策略。 具有额外氨基酸构建模块的生物体,并将产生基于 ncAA 的多功能平台 可能彻底改变现代医学的蛋白质进化或治疗性蛋白质。

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.
单原子切换作为设计汞离子比色和荧光探针的通用方法。
ZipA Uses a Two-Pronged FtsZ-Binding Mechanism Necessary for Cell Division.
ZipA 使用细胞分裂所需的双管 FtsZ 结合机制。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.4
  • 作者:
    Cameron, Todd A;Vega, Daniel E;Yu, Chenfei;Xiao, Han;Margolin, William
  • 通讯作者:
    Margolin, William
Electronic Relaxation Pathways in Heavy-Atom-Free Photosensitizers Absorbing Near-Infrared Radiation and Exhibiting High Yields of Singlet Oxygen Generation.
无重原子光敏剂中的电子弛豫路径吸收近红外辐射并表现出高产单线态氧。
  • DOI:
    10.1021/jacs.0c13203
  • 发表时间:
    2021-02-24
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15
  • 作者:
    Ortiz-Rodríguez LA;Hoehn SJ;Loredo A;Wang L;Xiao H;Crespo-Hernández CE
  • 通讯作者:
    Crespo-Hernández CE
Single-atom replacement as a general approach towards visible-light/near-infrared heavy-atom-free photosensitizers for photodynamic therapy.
单原子替代作为光动力疗法中可见光/近红外无重原子光敏剂的一般方法。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2020-07-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Tang, Juan;Wang, Lushun;Loredo, Axel;Cole, Carson;Xiao, Han
  • 通讯作者:
    Xiao, Han
Site-Specific Incorporation of a Photoactivatable Fluorescent Amino Acid.
光活化荧光氨基酸的位点特异性掺入。
  • DOI:
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Tang, Juan;Yu, Chenfei;Loredo, Axel;Chen, Yuda;Xiao, Han
  • 通讯作者:
    Xiao, Han
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