新的化学工艺使制造自然界中不存在的氨基酸变得更容易

您体内的每种蛋白质均由 20 种相同的结构单元(称为氨基酸)组成。但仅仅因为大自然受限于有限的工具包，并不意味着人类无法扩展它。

包括皮特化学家在内的一个团队于 7 月 27 日在《科学》杂志上发表的一项研究描述了一种创造“非天然”氨基酸的强大新方法 ，该方法可以用于基于蛋白质的疗法，并开辟有机化学的新分支。

“这是一次全新的转变：对自然来说是新的，对化学来说也是新的，” 肯尼斯·P·迪特里希艺术与科学学院的化学教授、该论文的通讯作者刘鹏说。“让酶产生非自然的氨基酸构型是不寻常的，你必须通过仔细的生物工程来做到这一点。”

只要改变较大蛋白质的一个片段，你就可以改变它的形状和作用——因此非天然氨基酸有望开辟新的疗法，例如利用蛋白质或其较小的近亲的抗生素或免疫抑制剂。

然而，在实验室中制造此类分子是一个繁重的多步骤过程：当研究人员对分子的其余部分进行化学转化时，必须保护相互连接形成蛋白质链的氨基酸片段。然而，新论文中描述的反应更简单、更高效，它为化学家提供了前所未有的控制力，可以控制原子团在所得分子中的取向。

它还以一种不寻常的方式使用化学工具，即 PLP 酶。酶是催化反应的蛋白质——通常，即使它们的功能被生物工程改变，它们所能做的只是加速已知的化学过程，而化学家可以通过其他尽管较慢的方式实现这些过程。但与光敏分子催化剂配合使用，这种新反应中的酶所能实现的效果远不止于此。

“你可以说生物工程酶比小分子催化剂提供更好的效率，但它们催化相同的反应，”右图刘说。“但这是一种全新的反应。它以前根本不存在。”

刘的团队使用计算机模拟来弄清楚原子和电子层面的化学反应中发生的复杂舞蹈，将“为什么”添加到进行实验的团队发现的“什么”中。在这篇论文中，刘和皮特大学博士后研究员 Binh Khanh Mai(左图)与杨阳领导的加州大学圣塔芭芭拉分校的研究团队合作，自 2014 年杨在刘的实验室度过了一个夏天以来，这种合作一直在进行。访问研究生。

刘和麦深入研究了杨团队提供的数据，以了解反应如何以及为何发生，并解开了化学家看不见的中间步骤。在一步中，两人进行了特别仔细的观察，电子必须在两个分子之间的路径上行进一段异常长的距离。“我们必须对这种可能性进行一些仔细的建模，因为这对自然界来说是新的一步，并且它支持整个反应机制，”刘说。

这些模型的基础是强大的计算能力。刘将皮特 研究计算中心 视为实验室成功的重要因素，因为该小组为了解化学反应的复杂性而进行的复杂模拟需要时间使用尖端、强大的超级计算机。

即便如此，仍有一些问题没有得到解答，这篇论文只是两个团队之间一系列合作的第一步。如果他们能够更好地理解为什么会发生这种不寻常的反应，刘的团队可能会开辟在不同背景下利用它来创造各种新化学工具、药物等的能力。

“你可以想象一下你可以制造多少种不同类型的非天然氨基酸——数量几乎是无限的，”刘说。“那么我们也可以利用这一见解来开发其他新反应吗?”