2024年12月31日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所合成生物化學(xué)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(xué)藥學(xué)院劉濤團隊在國際著名學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)評論》（Chemical Reviews，影響因子51.4）聯(lián)合在線發(fā)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(tǒng)層面詳細概述了基因密碼子擴展技術(shù)（GCE）的現(xiàn)狀以及面臨的挑戰(zhàn)與機遇，并重點論述了其在合成生物學(xué)、生物機制研究和新型治療等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

文章上線截圖

圖1. 配圖入選Chemical Reviews雜志封面

（封面設(shè)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(zhì)則是生命活動的主力軍。然而，天然蛋白質(zhì)僅由20種天然氨基酸構(gòu)成，這一定程度上限制了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能多樣性。如今，基因密碼子擴展（GCE）技術(shù)正在打破這一局限，為生命科學(xué)研究帶來全新可能。該技術(shù)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(nèi)的蛋白質(zhì)翻譯過程中，精準(zhǔn)地將非天然氨基酸（ncAA）定點引入蛋白質(zhì)。迄今，已有超過200種功能獨特的ncAA成功通過用于GCE技術(shù)，其多樣的化學(xué)基團推動了分子生物學(xué)、合成生物學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展。GCE技術(shù)不僅拓展了蛋白質(zhì)的化學(xué)潛力，也為研究人員探索、操控和開發(fā)蛋白質(zhì)功能，以及創(chuàng)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(shù)過去5年的最新進展。文章梳理了GCE技術(shù)的誕生過程、優(yōu)化方法及其廣泛應(yīng)用（圖2），詳述了科學(xué)家近年來在關(guān)鍵環(huán)節(jié)的突破，包括翻譯元件的優(yōu)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(shù)的多領(lǐng)域創(chuàng)新性應(yīng)用，從新型生物材料的設(shè)計，到更高效的藥物遞送系統(tǒng)，再到更優(yōu)的基因編輯工具與疫苗研發(fā)方法（圖2）。GCE技術(shù)也在合成生物學(xué)和基礎(chǔ)生物機制研究中展現(xiàn)出了強大的潛力（圖2）。如今，GCE技術(shù)已覆蓋從原核到真核的各個角落。未來，隨著該技術(shù)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(fā)，GCE技術(shù)有望催生具備全新功能的復(fù)雜生物系統(tǒng)，為生物學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來更深遠的影響。

圖2. GCE技術(shù)的優(yōu)化與應(yīng)用

深圳先進院合成所生化中心羅小舟研究員和北京大學(xué)藥學(xué)院劉濤教授為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)藥學(xué)院博士畢業(yè)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(xué)藥學(xué)院碩士畢業(yè)生王浩宇為共同第一作者。中國科學(xué)院大學(xué)/深圳先進院合成所生化中心聯(lián)合培養(yǎng)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(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市自然科學(xué)基金的支持。