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扩展遗传密码：有义密码子重新分配
化学和合成生物学的驱动动机之一是扩展可用于生物聚合物模板合成的构建块集。可用于翻译的氨基酸组的扩展尤其具有挑战性。所有 64 个密码子三联体都具有指定功能这一事实阻碍了遗传密码的扩展。然而，遗传密码是简并的：61 个有义密码子指定了 20 个典型氨基酸。
通过重新分配有义密码子的含义来扩展遗传密码应该可以广泛推广。不幸的是，由于每个生物体的 tRNA 和氨酰 tRNA 合成酶 (aaRS) 补体的大部分未知和异质的识别和辨别特征，预测哪些有义密码子适合重新分配以及哪些正交机制最适合该任务变得具有挑战性。
我们正在通过打破遗传密码的简并性来打开新的密码子进行重新分配。此外，我们将有义密码子重新分配技术与用于响应琥珀终止密码子的非规范氨基酸掺入的改进技术相结合，以生成 22 和 23 个氨基酸代码，其中多个非规范氨基酸的多个拷贝可以掺入感兴趣的蛋白质中. 改进的技术以及目前可用的套件结合酶的非规范氨基酸将可用遗传密码的数量从 100 个扩展到 10,000 个到 1,000,000 个（从 21 (~200) 到 22 (~100)2 到 23 (~100)3 个密码）探索和利用蛋白质序列和功能空间的远景。通过重新分配有义密码子的含义来打破遗传密码的简并性，为进行生物合成修饰提供了额外的途径，从而促进了基础和应用生化研究。
Fisk Lab 的基于荧光的有义密码子重新分配屏幕。我们的筛选评估了反密码子修饰的 tRNA 结合酪氨酸 (Tyr) 以响应在标准大肠杆菌遗传密码中分配了另一个身份的有义密码子的能力。超级文件夹 GFP 的残基 65-67 指定了自动化折叠成三肽荧光团的 Thr-Tyr-Gly 序列。用任何其他天然氨基酸替换第 66 位的 Tyr 可有效消除蛋白质的荧光。(生物化学, 2015, 54 (50), pp 7355–7364)
噬菌体展示和基于噬菌体的材料
我们正在探索开发高度修饰的噬菌体颗粒作为传统抗体试剂的替代品。这些新组件通过组合获得改进的特性将生物识别和信号检测部分作为细菌病毒颗粒的附属物呈现。在粒子上显示多个结合和信号分子的能力可以通过两种方式改善行为：增加响应的可调性（通过控制可用结合分子的数量）和通过亲合力效应提高灵敏度。以类似的方式，在粒子上显示多个信号生成组件的能力可以导致更稳健的响应。信号放大可以通过将多个荧光或催化结构域连接到颗粒上来实现：一个结合事件可以固定 10 到 100 的荧光分子或酶。因为传感器的所有组件都是作为噬菌体生命周期过程的一部分创建和组装的，这些传感器的制造成本将非常低廉。噬菌体颗粒已被证明可以增加附加在它们上面的蛋白质的稳定性，这种效果可能会延长基于噬菌体的传感器组件的保质期。我们正在努力开发这些类型的试剂作为诊断的组成部分，非常适合资源匮乏地区的挑战和需求。然而，基于噬菌体的传感器的低成本、易用性和长保质期可能会在所有医疗保健环境中产生变革。
Fisk 实验室有兴趣为噬菌体展示文库鉴定新的支架蛋白。我们已经成功地从基于 65 个氨基酸的超嗜热支架蛋白 Sso7d 的文库中识别出针对各种蛋白质靶标的紧密特异性结合分子。(FEBS J, 2016, 283, pp 1351–1367)
M13 生命周期的计算模拟
当试图建立一个具有定义功能的复杂生物技术系统时，从哪里开始？当今可用的生物技术基础设施的许多基本遗传成分（例如 DNA 质粒构建体、启动子和核糖体结合位点）是随机游走对从无数生物体中选择的部分进行增量更改的结果，而不是经过仔细、深思熟虑的系统设计具有以清晰易懂的方式运作的特定功能。虽然分子生物学和生物工程通过结合这些部分而蓬勃发展，但合成生物学和生物工程的下一个重大飞跃将是能够将工程设计周期强加于生物结构和功能。Fisk 实验室的研究旨在为基础和应用层面的下一步做出贡献。这种方法必须从了解自然的复杂性开始，特别是通过形成对生物相互作用的定量描述。定量生物学能够构建定量模型，从而将新的有用功能定向工程化到生物系统中。
随着 M13 噬菌体颗粒的生物技术应用范围和复杂性不断扩大，对控制噬菌体生命周期的生物过程和相互作用的定量、整体理解将促进创建具有合理设计的控制元件的新平台，这些控制元件更适合工程。我们受到 John Yin 实验室 Drew Endy 和 Lingchong You 的工作的启发，他们通过化学动力学模拟定量描述了裂解 T7 噬菌体的生物学。他们指出，我们也相信，在包括系统中所有生物组件的水平上理解生物学，并考虑它们的产生、相互作用和功能的时间，是真正的、基于模型的生物工程的必要起点。系统。
我们构建了一个基于基因结构、基于实验的非裂解性丝状噬菌体 M13 生命周期的计算模拟，以评估和扩展对这种生物技术相关病毒的系统级理解。我们的确定性化学动力学模拟整合了 50 年的实验观察，并明确包括噬菌体 DNA 复制、mRNA 转录、蛋白质翻译和噬菌体颗粒组装的分子细节，以及控制时间的竞争性蛋白质-蛋白质和蛋白质-核酸相互作用和噬菌体产生的程度。模拟忠实地再现了 M13 生物学的许多方面，包括复制形式的合成和预组装复杂 DNA 之间转换的生产水平和时间、噬菌体 mRNA 和蛋白质的数量、模拟是对控制 M13 生物学的整套相互作用进行定量理解的过程中的重要一步。该模拟为研究噬菌体成分之间的复杂相互作用提供了一个平台，并且是一种预测生产性重新设计点的工具。
Fisk 实验室有兴趣利用自我复制、自我组装的 M13 噬菌体颗粒作为多价、多功能生物技术的平台。这个目标需要对整个 M13 生命周期所涉及的定量生物学有一个完整的了解。我们开发和利用整个 M13 生命周期的化学动力学模拟的前两篇论文已经发表。（病毒学，2016 年，http://dx.doi.org/10.1016/j.virol.2016.08.017 和 http://dx/doi.org/10.1016/j.virol.2016.08.015）
