2024年12月31日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所合成生物化學研究中心（以下簡稱“深圳先進院合成所生化中心”）羅小舟團隊和北京大學藥學院劉濤團隊在國際著名學術期刊《化學評論》（Chemical Reviews，影響因子51.4）聯合在線發表了題為“Genetic code expansion: recent developments and emerging applications”?的綜述文章，并被選為期刊封面（圖1）。文章從系統層面詳細概述了基因密碼子擴展技術（GCE）的現狀以及面臨的挑戰與機遇，并重點論述了其在合成生物學、生物機制研究和新型治療等前沿領域的應用潛力。
文章上線截圖
圖1. 配圖入選Chemical Reviews雜志封面
（封面設計師：范仕蕓、劉怡寧）
長期以來，DNA和RNA一直被視為存儲和傳遞遺傳信息的分子，而蛋白質則是生命活動的主力軍。然而，天然蛋白質僅由20種天然氨基酸構成，這一定程度上限制了蛋白質的結構與功能多樣性。如今，基因密碼子擴展（GCE）技術正在打破這一局限，為生命科學研究帶來全新可能。該技術通過引入正交的氨酰-tRNA合成酶（aaRS）/tRNA對，在活細胞甚至完整生物體內的蛋白質翻譯過程中，精準地將非天然氨基酸（ncAA）定點引入蛋白質。迄今，已有超過200種功能獨特的ncAA成功通過用于GCE技術，其多樣的化學基團推動了分子生物學、合成生物學以及生物醫學領域的快速發展。GCE技術不僅拓展了蛋白質的化學潛力，也為研究人員探索、操控和開發蛋白質功能，以及創新治療手段提供了全新的工具。
本篇綜述全面回顧了GCE技術過去5年的最新進展。文章梳理了GCE技術的誕生過程、優化方法及其廣泛應用（圖2），詳述了科學家近年來在關鍵環節的突破，包括翻譯元件的優化、正交aaRS/tRNA對篩選方法的改進以及ncAA的生物合成等策略（圖2）。此外，文章還深入探討了GCE技術的多領域創新性應用，從新型生物材料的設計，到更高效的藥物遞送系統，再到更優的基因編輯工具與疫苗研發方法（圖2）。GCE技術也在合成生物學和基礎生物機制研究中展現出了強大的潛力（圖2）。如今，GCE技術已覆蓋從原核到真核的各個角落。未來，隨著該技術效率和正交性的進一步提升，以及更多功能性ncAA的成功開發，GCE技術有望催生具備全新功能的復雜生物系統，為生物學與醫學領域帶來更深遠的影響。
圖2. GCE技術的優化與應用
深圳先進院合成所生化中心羅小舟研究員和北京大學藥學院劉濤教授為本文的共同通訊作者。北京大學藥學院博士畢業生黃雨佳，深圳先進院合成所生化中心助理研究員張盼，北京大學藥學院碩士畢業生王浩宇為共同第一作者。中國科學院大學/深圳先進院合成所生化中心聯合培養在讀碩士生陳燕對本文撰寫也做出重要貢獻。本工作獲得了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市自然科學基金的支持。
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