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直交tRNA/アミノアシルtRNA合成酵素(aaRS)ペアのエンジニアリング

直交性tRNAおよびアミノアシルtRNA合成酵素(aaRS)ペアのエンジニアリングは、タンパク質への部位特異的な非天然アミノ酸(uAA)の導入を可能にする基盤技術です。直交性ペアは宿主の翻訳機構から独立して機能するため、選択したコドンのみを再割り当てし、標的uAAのみを特異的に認識してアミノアシル化(チャージ)します。Creative Enzymesは、高忠実度、低バックグラウンドサプレッション、ならびに微生物・真核生物・無細胞発現系における堅牢な性能に最適化した、完全カスタムの直交性tRNA/aaRSペアを設計・改変・検証するエンドツーエンドのプラットフォームを提供します。高度な構造工学、指向性進化、厳格なスクリーニング手法を通じて、ご希望のuAA、発現宿主、用途に合わせた高精度の直交性システムを提供します。

直交性tRNA/aaRSペア工学の背景

直交性翻訳コンポーネントの必要性

非天然アミノ酸の導入には、天然のアミノアシル化経路を回避しつつ、リボソーム機構と整合的に相互作用できる翻訳コンポーネントが必要です。内在性tRNAおよびaaRSは極めて高い特異性を維持するよう共進化しているため、遺伝暗号の拡張には、宿主の合成酵素や内在性tRNA基質と相互作用しないシステムが求められます。これらの改変システムは、以下を満たす必要があります。

  • 指定したコドン(通常は終止コドンまたは拡張コドン)を認識する
  • 目的のuAAのみをチャージする
  • 天然アミノ酸をチャージしない
  • 内在性合成酵素による誤チャージを回避する
  • 細胞ストレスを過度に誘発せず、十分な発現レベルで機能する

直交性tRNA/aaRSペアは、新規コドンを読み取り、タンパク質に新しい化学機能を導入できる並列の翻訳回路を提供することで、これらの要件を満たします。

直交性ツールの起源と進化

初期の直交性システムは、異種発現下で交差反応性が低いことが知られる古細菌および細菌由来の合成酵素を基盤として構築されました。その後、研究の進展により、以下を含む洗練されたエンジニアリング手法が確立されました。

  • アイデンティティエレメントの再プログラミング(tRNA認識の変更)
  • 活性部位リモデリング(uAA特異的aaRSの創製)
  • ループ工学およびドメインスワッピング
  • ネガティブ/ポジティブ選択スキーム
  • 連続的または反復的な指向性進化
  • 基質ドッキングの計算モデリング

現在、改変直交性ペアは、タンパク質工学機構酵素学、構造生物学、治療設計、材料科学、合成生物学などで広く利用されています。

Orthogonal tRNA for genetic code expansion図1.遺伝暗号拡張における基本要素としての直交性tRNA。(Kim et al., 2024)

提供内容

Creative Enzymesでは、直交性tRNA/aaRSペアのカスタムエンジニアリングに関する包括的プラットフォームを提供しています。サービス内容は以下のとおりです。

完全直交性tRNA/aaRSペアのエンジニアリング

以下の特性を満たす直交性ペアを開発します。

  • 宿主内在性合成酵素との交差反応がない
  • 内在性tRNAをチャージまたはデコードしない
  • 選択した宿主において構造安定性と効率的フォールディングを維持する
  • 高発現系においても優れた性能を示す

当社の直交性セットは、E. coli、酵母、哺乳類宿主(HEK293、CHO)、および無細胞系に対応しています。

aaRSのuAA特異的活性部位エンジニアリング

以下の手法により、標的uAAに合わせてaaRSの触媒ポケットを最適化します。

  • 合理的構造設計
  • 活性部位トンネルの再形成
  • 基質ポケットの拡張または狭窄
  • 静電相互作用および水素結合ネットワークの再設計
  • 特異性を大幅に向上させる指向性進化

tRNAアイデンティティエレメント最適化

直交性と効率的デコーディングを担保するため、以下を実施します。

  • 主要tRNAアイデンティティエレメント(アクセプターステム、Dループ、アンチコドンループ、可変アーム)を再設計
  • 宿主特異的なプロセシングシグナルを最適化
  • tRNA量のバランスを取るため、プロモーターおよび発現カセットを設計

宿主特異的アダプテーション

以下を目的として、宿主に合わせて直交性ペアを最適化します。

  • 特定生物種における最適性能
  • 内在性tRNAとの競合低減
  • 熱ストレスまたは酸化ストレス条件下でのフォールディング安定化
  • 核外輸送および細胞質局在の改善(哺乳類系)
  • 低酸素または高密度発酵環境での性能向上

高度なポジティブ/ネガティブ選択スクリーニング

当社のスクリーニングパイプラインでは、以下を用います。

  • ハイスループット蛍光スクリーニングまたは生存ベーススクリーニング
  • 高忠実度バリアントを分離する二重選択システム
  • 真の導入を確認するMSベース検証
  • ライブラリーを包括的に解析するハイスループットシーケンス

検証、スケーラビリティ、技術移管

各改変ペアについて、以下を実施します。

  • 導入のLC–MS/MS検証
  • 忠実度および誤チャージ解析
  • 条件変動下でのサプレッションおよび発現チューニング
  • 最終配列、コンストラクト、プロトコール、性能レポートの提供

特殊uAAに対応したエンジニアリング

以下の特性を有するuAAの導入を支援します。

  • 光活性化基(ベンゾフェノン、ジアジリン)
  • 化学選択的ハンドル(アジド、アルキン、歪んだシクロオクチン)
  • 蛍光団およびソルバトクロミック色素
  • 翻訳後修飾ミミック(ホスホセリン類縁体、スルホチロシン)
  • 金属イオン結合リガンド
  • 分光用途の電気活性/光活性モチーフ

各化学クラスには固有の工学的課題が存在しますが、当社は標的指向の構造戦略および進化戦略により対応します。

コドン再割り当て戦略

以下に適合する直交性ペアを提供します。

  • 最も広く用いられるアンバー(TAG)サプレッション
  • 多重化用途のオパール(TGA)およびオーカー(TAA)サプレッション
  • 複数uAAを同時導入するための4塩基コドンデコーディング
  • バックグラウンドサプレッションをゼロ化するゲノム再コード化生物

忠実度および品質管理

当社の品質管理パイプラインでは、以下を評価します。

  • uAA導入忠実度(多くの設計で>95%)
  • 競合アミノ酸の誤導入率
  • サプレッション効率および翻訳スループット
  • 宿主生理への影響
  • 長期発現安定性

お見積り依頼

サービスワークフロー

Service workflow for orthogonal tRNA/aaRS pairs engineering

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当社が選ばれる理由

直交性翻訳エンジニアリングにおける深い専門性

当社エンジニアは遺伝暗号拡張に関する豊富な実務経験を有しており、de novoで直交性ペアを創製できる数少ない提供者の一つです。

厳格なスクリーニングによる最高水準の忠実度

二重選択システムと高分解能の分析ツールにより、比類のない基質特異性と最小限のバックグラウンドノイズを実現します。

あらゆる発現プラットフォームに対応するカスタムソリューション

微生物、酵母、哺乳類細胞、無細胞環境のいずれにおいても、お客様の条件に合わせて設計・検証されたシステムを提供します。

計算科学と実験の高度な統合

構造モデリング、ドッキングシミュレーション、指向性進化を統合し、探索を加速するとともに精度を最大化します。

コンセプトから応用までの一貫支援

実現可能性評価、エンジニアリング、検証、下流のタンパク質生産まで、各段階でガイダンスを提供します。

高い再現性を備えた信頼性の高いシステム

すべての直交性ペアについて一貫した性能をベンチマークし、ラボへの円滑な導入を可能にする詳細ドキュメントを提供します。

ケーススタディと実務的インサイト

ケース1:非天然アミノ酸導入のための直交性プロリルtRNA合成酵素/tRNAペアのエンジニアリング

遺伝暗号を拡張するため、研究者らは古細菌由来祖先配列を基盤に、E. coliで使用可能な相互直交性プロリルtRNA/プロリルtRNA合成酵素(ProRS)ペアを改変しました。Pyrococcus horikoshii ProRSのアンチコドン結合ポケットを再設計することで、CUA、AGGG、またはCUAGアンチコドンを有するArchaeoglobus fulgidus tRNAバリアントを選択的に認識する合成酵素を創製しました。改変合成酵素の一部は厳密な特異性を示し、別の一部はより柔軟な認識性を示しました。さらに最適化により、アンバーサプレッション効率が大幅に向上したtRNAが得られました。本直交性ペアは、プロリン類縁体およびその他のN修飾非天然アミノ酸の部位特異的導入を可能にし、tRNA–aaRS界面の適応性を示すとともに、生細胞における多重uAA導入への道を拓きます。

Evolution of multiple, mutually orthogonal prolyl-tRNA synthetase/tRNA pairs for unnatural amino acid mutagenesis in Escherichia coli図2.高効率アンバーサプレッサーAf-tRNACUAProの進化。(A)Af-tRNACUAProの強調領域をランダム化。(B)野生型およびh8 Af-tRNACUAProのサプレッション活性。(C)pEvol-Proにより、原型(野生型)または進化型h8-tRNAをコードした場合のGFP-Tyr151TAGの発現レベル。(Chatterjee et al., 2012)

ケース2:センスコドン再割り当てに向けたピロリシルtRNA/aaRSの指向性進化

遺伝暗号の柔軟性を拡張するため、研究者らはチロシンを活性化して導入可能な高効率のMethanosarcina barkeriピロリシルtRNA/aaRSペアを進化させました。本改変ペアは、E. coliにおいてアンバーコドンを約98%の効率で再割り当てし、広く用いられるMethanocaldococcus jannaschiiシステムと同等の性能を示しました。蛍光ベースのスクリーニングにより、新規ペアのセンスコドン再割り当て能が系統的に評価されました。比較の結果、M. barkeri系とM. jannaschii系の間でコドン嗜好性が異なることが示され、直交性ペアによって遺伝暗号上で得意とする位置が異なることが示唆されました。本研究は、再割り当てに最も許容的なコドンを同定することで、多部位ncAA導入のための強力なプラットフォームを提供します。

Directed evolution of the Methanosarcina barkeri pyrrolysyl tRNA/aminoacyl tRNA synthetase pair for rapid evaluation of sense codon reassignment potential図3.センスコドン再割り当てポテンシャルを迅速に評価するための、Methanosarcina barkeriピロリシルtRNA/アミノアシルtRNA合成酵素ペアの指向性進化(Schwark et al., 2021)

FAQ:直交性tRNA/aaRSペアのエンジニアリング

  • Q:まったく新規の非天然アミノ酸に対して直交性ペアを設計できますか?

    A:可能です。十分な構造情報または化学情報があれば、全く新しいアミノ酸化学を認識できる合成酵素を設計または進化させることができます。当社のワークフローは、計算モデリング、活性部位再設計、反復スクリーニングを統合し、高い選択性と効率的なチャージングを確立します。特に特異な基質については、触媒回転を維持しつつ誤アシル化を最小化するため、立体的・電子的特性に合わせて周辺残基を改変することも可能です。
  • Q:異なるuAAを多重導入するために、複数の直交性ペアを設計できますか?

    A:もちろん可能です。当社では、独立した直交性tRNA/aaRSシステム、ユニークなコドン(例:UAG、UGA、4塩基コドン)、および宿主適応型サプレッションフレームワークを組み合わせることで、2種・3種のuAA多重導入戦略を日常的に支援しています。各コンポーネントについて適合性および交差反応性試験を実施し、同一タンパク質内で複数uAAを同時に、相互干渉なく導入できることを担保します。
  • Q:どの宿主生物が、貴社の改変システムに対応していますか?

    A:当社プラットフォームは、E. coliSaccharomyces cerevisiaePichia株、昆虫細胞、HEK293、CHO、および各種無細胞発現系で検証済みです。必要に応じて、発現要素のチューニング、tRNA構造の改変、または合成酵素特異性の再最適化により、比較的稀な微生物や独自の工業用株にも適用可能です。
  • Q:改変系と宿主内在性翻訳コンポーネント間の真の直交性は、どのように担保しますか?

    A:内在性tRNAをチャージする合成酵素バリアントを除去するネガティブ選択、認識モチーフを再形成する構造工学、ならびに宿主特異的検証アッセイを含む多層的戦略を採用しています。これにより、改変合成酵素が意図したtRNAパートナーのみをチャージし、直交性tRNAが内在性aaRSにより影響を受けないことを保証します。最終システムは、基礎発現条件および誘導発現条件の双方で試験し、安定性と忠実度を確認します。
  • Q:下流のタンパク質発現、精製、検証まで支援していますか?

    A:はい。発現最適化、精製タンパク質の納品、導入忠実度解析、活性評価または構造解析など、包括的な下流サービスを提供します。お客様側で発現を実施される場合には、最適化済みコンストラクト設計、推奨誘導条件、トラブルシューティングガイダンスも提供します。
  • Q:構造モデリングやin silico予測は提供していますか?

    A:提供しています。複雑なプロジェクトでは、分子ドッキング、活性部位モデリング、コドンコンテキスト予測を統合し、実験フェーズに入る前にaaRS設計の指針を得て成功確率を高めます。

参考文献:

  1. Chatterjee A, Xiao H, Schultz PG. Evolution of multiple, mutually orthogonal prolyl-tRNA synthetase/tRNA pairs for unnatural amino acid mutagenesis in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA. 2012;109(37):14841-14846. doi:10.1073/pnas.1212454109
  2. Kim Y, Cho S, Kim JC, Park HS. tRNA engineering strategies for genetic code expansion. Front Genet. 2024;15:1373250. doi:10.3389/fgene.2024.1373250
  3. Schwark DG, Schmitt MA, Fisk JD. Directed evolution of the Methanosarcina barkeri pyrrolysyl tRNA/aminoacyl tRNA synthetase pair for rapid evaluation of sense codon reassignment potential. IJMS. 2021;22(2):895. doi:10.3390/ijms22020895

研究および産業用途にのみご使用ください。個人医療用途には適していません。一部の食品グレード製品は、食品および関連用途における処方開発に適しています。

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