氨基酸是蛋白質的基本成分，對生物結構的最佳功能至關重要。所有生命形式的蛋白質都由20 種核心氨基酸組成。然而，自然界提供了500 多種不同的氨基酸，令人印象深刻。此外，人類還創造了大量的合成氨基酸。這些替代氨基酸為開發創新藥物和治療方法帶來了希望。

現在，特拉華大學工程學院化學與生物分子工程系助理教授Aditya Kunjapur 實驗室的研究人員通過改造細菌，合成了一種含有稀有功能基團的氨基酸。研究人員還教導單一細菌菌株製造這種氨基酸，並將其置於目標蛋白質的特定位點。這些研究成果發表在《自然-化學生物學》（Nature Chemical Biology）上，為今後開發獨特的疫苗和免疫療法奠定了基礎。

Kunjapur 實驗室利用合成生物學和基因工程的工具，創造出能夠合成不同類型化合物和分子的微生物，特別是那些具有自然界中不常見的功能基團或特性的微生物。

在這項研究中，研究人員重點研究了對硝基-L-苯丙氨酸（pN-Phe），這是一種非標準氨基酸，既不是二十種標準氨基酸之一，也沒有在自然界中觀察到。其他研究小組利用對硝基-L-苯丙氨酸作為一種工具，刺激免疫系統對其通常忽略的蛋白質產生反應。

Kunjapur說：”硝基化學官能團具有寶貴的特性，但試圖重新連接新陳代謝的人們對它的探索還不夠。”pN-Phe在文獻中也有很好的歷史–它可以添加到小鼠的蛋白質上，然後再送回小鼠體內，免疫系統將不再容忍該蛋白質的原始版本。這種能力有望治療或預防由免疫系統難以鎖定的流氓蛋白質引起的疾病。

遺傳密碼擴展方法使研究人員能夠增加DNA 編碼的可用氨基酸”字母表”。通過將新陳代謝工程技術與遺傳密碼擴充技術相結合，研究人員創建了一個能夠自主生產硝化蛋白質的系統。

Kunjapur說：”由於硝基官能團的化學性質，我們為這個項目選擇的氨基酸是非常規的，我們領域的許多科學家可能都沒有想到它可以通過生物合成來製造。”

這項研究的下一步是優化他們的方法，以合成更大量的硝化蛋白，並將這項工作擴展到其他微生物。長期目標是進一步完善這一平台，將其應用於疫苗或免疫療法，Kunjapur 的努力得到了2021 年AIChE Langer 獎和2022 年美國國立衛生研究院院長新創新者獎的支持。為了進一步支持這一長期目標，Kunjapur 和本文第一作者、博士候選人Neil Butler 共同創辦了Nitro Biosciences 公司。

Butler勒說：”我認為這很有意義，因為你可以利用細菌的中心代謝及其生產不同化合物的能力，只需稍加改動，就能擴大其化學成分的範圍。硝基功能在生物學中是罕見的，標準的20 種氨基酸中也不存在這種功能，但我們證明細菌的新陳代謝具有足夠的延展性，可以通過重新接線來創造和整合這種功能。”

Kunjapur 補充說：”細菌是潛在的有用藥物輸送載體。我們認為，我們已經創造了一種工具，可以利用細菌在體內產生目標抗原的能力，並利用硝化能力同時照亮這些抗原。”