# 异种生物学与扩展遗传字母表（XNA） 基于异种核酸、非天然碱基对及基因组重编码生物体的正交生物系统，能将非天然氨基酸插入蛋白质——实现药物的定点偶联，并构建针对野生物种水平基因转移的遗传防火墙。 Source: https://cn.bioecon.ru/technology/xenobiology-expanded-genetic-alphabet/ Updated: 2026-08-18 ## 概述与价值链 标记：[EC：正交生物系统与生物安全 | OECD：合成生物学 | 监管机构：FDA（美国）、EPA（美国）、科技部（中国）] 异种生物学设计与自然生物圈在化学上隔离的正交生物系统——基于异种核酸（XNA）、非天然碱基对或将非天然氨基酸（ncAA）插入蛋白质的基因组重编码密码子构建的生物体。Sanofi以25亿美元收购的Synthorx平台，生产SAR-444245（pegenzileukin，亦称THOR-707）——一种经工程改造的"非α"IL-2细胞因子，通过非天然氨基酸实现定点聚乙二醇化，消除经典IL-2的血管渗漏毒性；PEGATHOR研究（NCT05104567）于2026年6月报告了与帕博利珠单抗及其他检查点抑制剂联合使用的结果。基于Steven Benner的Hachimoji（八字母）DNA系统的Firebird Biomolecular Sciences，参与了2026年6月一项发表于《自然·通讯》的研究，利用扩展遗传字母表（AEGIS）拓展了三链形成寡核苷酸对DNA的识别能力，鉴定出可用于可编程、序列特异性应用的模块化碱基三联体。Scripps Research于2026年3月报告了一项《自然·化学》研究，介绍了一种多类型稀有密码子重编码系统，可在哺乳动物细胞中同时实现多达五种不同非天然氨基酸的定点插入，另有一项独立研究将重编码遗传密码扩展至总计32种氨基酸。耶鲁大学Farren Isaacs实验室于2025年2月发布了"Ochre"——一种新一代基因组重编码生物体（GRO），将冗余密码子完全压缩为单一终止密码子，继承并超越了此前的C321.ΔA菌株，可用于生产治疗性及工业用途的可编程蛋白质。鲁汶天主教大学雷加研究所（Piet Herdewijn团队）发表了一项关于工程化改造以实现HNA（己糖核酸）逆转录的Thermococcus kodakarensis DNA聚合酶的结构研究，首次提供了DNA聚合酶如何处理异种核酸的结构性认识。在中国，北京大学研究人员陈鹏与伊成器于2025年6月发表了一项密码子扩展策略，利用转录后修饰的RNA密码子在不干扰天然遗传密码的情况下，将非天然氨基酸插入哺乳动物细胞。 异种生物学与扩展遗传字母表的关键方向： 1. **异种核酸（XNA）：** 将脱氧核糖替换为替代糖类（己糖/HNA、苏糖/TNA、甘油/GNA、阿拉伯糖/ANA）的类DNA聚合物，对天然核酸酶具有近乎完全的抗性。 2. **非天然碱基对（UBP）：** 通过不同于沃森-克里克氢键的机制配对的人工核苷酸，使半合成生物体能够在数百代内稳定传递六字母或八字母遗传密码。 3. **通过琥珀抑制实现遗传密码扩展：** 利用正交tRNA/合成酶对重新编程琥珀（UAG）终止密码子，在精确的蛋白质位点插入非天然氨基酸，而非终止翻译。 4. **基因组重编码生物体（GRO）：** 将特定密码子（及其对应的释放因子）从基因组中完全移除，释放该密码子作为专用、无冲突的非天然氨基酸插入通道。 ### 行业价值链 ``` [正交碱基对设计] ──> [XNA/非天然氨基酸化学合成] ──> [基因组重编码生物体（GRO）组装] │ （琥珀抑制翻译） │ [治疗性XNA适配体] <─── [点击化学ADC偶联] <─── [非天然氨基酸蛋白分离] ``` ### 价值链层级 | 层级 | 描述 | 关键输入/输出 | |:---|:---|:---| | **正交设计** | 对非生物核苷酸对及正交tRNA/合成酶对三维结构的计算建模。 | **输入：** 蛋白质晶体学数据、量子化学与对接软件。
**输出：** UBP结构及酶活性位点的分子规格。 | | **XNA/非天然氨基酸合成** | 高纯度非天然核苷三磷酸（dNTP）及非天然氨基酸的从头化学合成。 | **输入：** 化学前体、有机合成试剂。
**输出：** 结晶态非天然氨基酸及正交dNTP溶液。 | | **基因组重编码（GRO组装）** | 从头构建替换目标密码子并敲除相应释放因子基因的染色体。 | **输入：** 多重CRISPR盒、MAGE/CAGE系统、野生型细菌。
**输出：** 稳定的基因组重编码宿主菌株（GRO）。 | | **抑制翻译（发酵）** | 在存在非天然氨基酸的条件下培养GRO菌株，以表达定点插入人工氨基酸的蛋白质。 | **输入：** GRO细菌、发酵罐、矿物培养基、非天然氨基酸补充剂。
**输出：** 携带正交反应性标签的粗制重组蛋白。 | | **点击偶联** | 通过无铜点击化学（SPAAC）将纯化蛋白与载荷分子（PEG、毒素）化学连接。 | **输入：** 非天然氨基酸蛋白、携带毒素/PEG的点击接头、催化剂。
**输出：** 具有固定蛋白-药物比例的均一、高纯度抗体药物偶联物。 | | **XNA应用** | 异种核酸的定向进化（SELEX），用于生成稳定的治疗性适配体及分子传感器。 | **输入：** XNA文库、进化后的聚合酶、目标分子。
**输出：** 稳定的可注射XNA疗法。 | 该行业的跨领域技术： - **区室化自我复制（CSR）：** 在油包水乳液液滴内进行聚合酶的体外定向进化，每个液滴含有携带突变聚合酶基因及XNA底物的单个细胞，筛选能够利用人工核酸骨架合成基因的酶。 - **无铜点击化学（SPAAC）：** 叠氮基团与整合入非天然氨基酸的环辛炔（DBCO）基团之间高选择性的反应，在生理条件下进行且无需有毒的铜催化剂，对可注射药物生产至关重要。 - **多重自动化基因组工程（MAGE）：** 通过λ-Red重组蛋白，向分裂中的细菌细胞周期性引入数十个单链DNA寡核苷酸，可在数天内实现全基因组范围内数百个密码子的快速替换。 --- ## 美国 美国依托Scripps、耶鲁大学及重大制药收购，在异种生物学衍生药物及基因组重编码菌株的全球商业化方面处于领先地位。 ### Sanofi商业化的Synthorx平台、Firebird的扩展字母表诊断、Scripps的多重非天然氨基酸重编码、耶鲁新一代GRO"Ochre" - **Sanofi（Synthorx）：** 其SAR-444245（pegenzileukin/THOR-707）是一种经工程改造、通过非天然氨基酸实现定点聚乙二醇化的IL-2细胞因子，于2026年6月报告了PEGATHOR（NCT05104567）与帕博利珠单抗联合用药的结果，消除了限制经典IL-2疗法的血管渗漏毒性。 - **Firebird Biomolecular Sciences：** 基于Steven Benner的八字母Hachimoji DNA/RNA系统，参与了2026年6月一项发表于《自然·通讯》的研究，利用扩展遗传字母表（AEGIS）拓展了三链形成寡核苷酸对DNA的识别能力，用于可编程、序列特异性应用。 - **Scripps Research与耶鲁大学：** Scripps于2026年3月报告了一种多类型稀有密码子重编码系统，可在哺乳动物细胞中同时实现多达五种不同非天然氨基酸的定点插入；耶鲁大学Farren Isaacs实验室于2025年2月发布了"Ochre"——继承并超越此前C321.ΔA菌株的新一代基因组重编码生物体。 --- ## 中国 中国正通过高校化学及生命科学实验室构建遗传密码扩展能力，目标是面向生物医学研究及诊断的哺乳动物细胞应用。 ### 北京大学哺乳动物密码子扩展策略、国家资助的合成遗传学项目 - **北京大学：** 研究人员陈鹏（化学与分子工程学院）与伊成器（生命科学学院）于2025年6月发表了一项密码子扩展策略，利用有别于全部64个标准密码子的转录后修饰RNA密码子，在不干扰天然遗传密码的情况下将非天然氨基酸插入哺乳动物系统。 - **国家资助：** 中国的遗传密码扩展及合成遗传学研究在很大程度上依靠中国国家自然科学基金（NSFC）资助高校化学及生命科学院系。 - **应用重点：** 该目录条目中的中国团队更侧重于面向生物医学蛋白质工程的哺乳动物细胞兼容密码子扩展，而非主导美国商业管线的细菌基因组重编码生物体。 --- ## 欧盟 欧盟依托鲁汶天主教大学在XNA聚合酶结构生物学方面的研究，在异种核酸化学及替代糖磷酸骨架工程领域处于领先地位。 ### 鲁汶天主教大学HNA聚合酶结构生物学、雷加研究所在XNA合成领域的领导地位 - **鲁汶天主教大学（雷加研究所）：** Piet Herdewijn团队发表了一项关于工程化改造以实现HNA（己糖核酸）逆转录的Thermococcus kodakarensis DNA聚合酶（KOD-H4）的结构研究，首次提供了DNA聚合酶如何处理异种核酸骨架的结构性认识。 - **XNA化学领导地位：** 鲁汶天主教大学仍是己糖核酸及相关异种核酸骨架化学合成领域的领先学术中心，为稳定、抗核酸酶的XNA适配体及诊断传感器奠定结构基础。 --- ## 领先企业与研究机构 | 公司/机构 | 国家 | 核心产品/平台 | 技术特点 | 2026年状态 | |:---|:---|:---|:---|:---| | **Sanofi（Synthorx）** | 🇫🇷 法国 | *SAR-444245*（pegenzileukin/THOR-707） | 基于非天然氨基酸定点聚乙二醇化的半合成生物体 | operating | | **Firebird Biomolecular Sciences** | 🇺🇸 美国 | Hachimoji DNA、AEGIS扩展字母表 | 用于超灵敏诊断的八字母遗传字母表 | operating | | **Scripps Research Institute** | 🇺🇸 美国 | 多类型稀有密码子重编码 | 同时插入多达5种不同非天然氨基酸 | research | | **耶鲁大学（Isaacs实验室）** | 🇺🇸 美国 | 基因组重编码生物体"Ochre" | 继承并超越C321.ΔA的新一代GRO，单一专用终止密码子 | research | | **鲁汶天主教大学（雷加研究所）** | 🇧🇪 比利时 | HNA/XNA聚合酶工程 | DNA聚合酶处理HNA的首个结构图谱 | research | | **北京大学** | 🇨🇳 中国 | 哺乳动物密码子扩展策略 | 用于非天然氨基酸插入的转录后修饰RNA密码子 | research | --- ## 技术栈与创新 异种生物学技术栈叠加了三种不同的正交生物学方法，分别解决遗传密码扩展问题的不同环节： 1. **半合成生物体（SSO）：** - 携带人工碱基对（如d5SICS-dNaM）的细菌，其碱基对通过疏水相互作用而非氢键维系；由于细胞本身无法合成非天然核苷三磷酸，需将来自硅藻的核苷酸转运蛋白基因（PtNTT2）工程化导入其细胞膜，使其能够摄取培养基中添加的人工核苷酸，从而实现六字母或八字母遗传密码的稳定传递。 2. **琥珀密码子抑制：** - 一对正交氨酰-tRNA合成酶/tRNA，通常来自另一个生命域（如古菌Methanosarcina barkeri），以避免与宿主原生tRNA发生交叉反应，识别重新编程的UAG终止密码子，并在延伸的肽链中插入非天然氨基酸，而非终止翻译。 3. **基因组重编码生物体（GRO）：** - 将目标密码子（如UAG）在全基因组范围内的每个实例替换为同义密码子，随后删除编码相应释放因子的基因，从而释放该密码子作为无冲突通道，能以接近100%的效率编码100余种非天然氨基酸中的任意一种。 --- ## 价值链与生产管线 ### 通过GRO大肠杆菌菌株琥珀抑制翻译及无铜点击偶联实现定点聚乙二醇化IL-2免疫细胞因子偶联物的产业管线 ``` ┌───────────────────────────┐ ┌───────────────────────────┐ │ 1. 非天然氨基酸插入位点 │ ───> │ 2. 正交试剂合成 │ │ 的计算设计 │ │ （pAzF、aaRS） │ └───────────────────────────┘ └───────────────────────────┘ │ ▼ ┌───────────────────────────┐ ┌───────────────────────────┐ │ 4. 纯化叠氮蛋白 │ <─── │ 3. 带琥珀抑制的 │ │ IL-2-N3的分离 │ │ GRO发酵 │ └───────────────────────────┘ └───────────────────────────┘ │ ▼ ┌───────────────────────────┐ ┌───────────────────────────┐ │ 5. 使用PEG-DBCO接头的 │ ───> │ 6. GMP纯化、质量控制 │ │ SPAAC点击偶联 │ │ 与灌装 │ └───────────────────────────┘ └───────────────────────────┘ ``` #### 阶段1：非天然氨基酸插入位点的计算设计 蛋白质工程软件识别目标蛋白（如IL-2）表面暴露、非催化性的位置，适合进行定点非天然氨基酸插入而不破坏受体结合活性。 #### 阶段2：正交试剂合成 合成对叠氮苯丙氨酸（pAzF）或类似的可点击非天然氨基酸，同时合成其同源正交氨酰-tRNA合成酶，该酶经过工程改造，仅为目标tRNA装载这一特定非天然氨基酸。 #### 阶段3：带琥珀抑制的GRO发酵 在存在非天然氨基酸的条件下发酵基因组重编码的大肠杆菌菌株；正交tRNA/合成酶对在重新编程的密码子位置插入非天然氨基酸，产生携带单一、精确定位可点击手柄的粗制蛋白。 #### 阶段4：纯化叠氮蛋白的分离 使用标准色谱法从发酵液中纯化带叠氮标签的蛋白，获得反应性基团暴露于单一确定位点的均一制品。 #### 阶段5：使用PEG-DBCO接头的SPAAC点击偶联 纯化蛋白通过应变促进的叠氮-炔环加成反应与功能化DBCO的PEG或药物接头分子反应，形成稳定的三唑连接，无需任何有毒铜催化剂，并以固定的一比一偶联比例进行。 #### 阶段6：GMP纯化、质量控制与灌装 偶联物经过最终GMP级纯化及质量控制测试，以确认偶联均一性及纯度，随后无菌灌装至西林瓶中，供临床或商业分销使用。