蛋白质是生命功能的执行者。在生物医学研究中，科学家常常需要像工程师一样，对天然蛋白质进行“改造”——在特定位置安装化学探针、引入疾病相关的修饰，或嵌入非天然氨基酸，以揭示其工作机制或开发新疗法。

然而，这项名为“蛋白质半合成”的技术长期面临一个根本性瓶颈：难以对已折叠蛋白质的内部核心区域进行高效、精准的修饰，这限制了许多关键问题的探索。

2025年4月3日，普林斯顿大学Tom W.Muir团队（Yi Hua为第一作者）在Science在线发表题为Protein editing using a coordinated transposition reaction的研究论文。

该研究开拓了“蛋白质重排”技术，它效仿DNA编辑的“剪切-粘贴”逻辑，首次实现了在一次操作中对折叠蛋白质的内部序列进行直接替换，犹如一场分子水平的“显微手术”，将蛋白质工程的能力边界拓展至前所未有的维度。

另外，2025年5月1日，宾夕法尼亚大学George M. Burslem团队在Science 在线发表题为Intracellular protein editing enables incorporation of noncanonical residues in endogenous proteins的研究论文。

该研究报告了一种细胞内蛋白质编辑技术，该技术借鉴了分裂内肽介导的蛋白质剪接、遗传密码扩展以及内源性蛋白质标记等方法。这种方法使研究人员能够快速且特异性地在蛋白质中添加残基和化学基团。该研究展示了该平台编辑细胞蛋白质的能力，包括插入表位、特定蛋白质序列和非标准氨基酸。值得注意的是，该研究采用内源性标记方法将蛋白质编辑技术应用于内源性蛋白质，且对细胞造成的影响极小。

传统瓶颈：对蛋白质“动手术”为何如此之难？

传统的蛋白质半合成，类似于用多个“片段”缝合出一件完整的“衣服”（蛋白质）。若想修改衣服的袖口（N端或C端）相对容易，但若要修改衣服内部的某块布料（蛋白质内部区域），则极为棘手。传统方法面临三大挑战：

位点局限：现有技术大多只能修饰蛋白质的末端区域。想要触及内部位点，则需将蛋白质拆解成三个甚至更多片段，经历繁琐的多步化学连接，导致最终产率极低。

折叠难题：即便成功连接，这些化学合成的片段也常常无法自发折叠成正确的三维结构。对于许多复杂的蛋白质，尤其是大型蛋白质复合物，在试管中使其正确折叠几乎是不可能的任务。

通用性差：上述限制使得该技术仅能应用于少数“听话”的蛋白质模型，无法成为普适性工具，极大地阻碍了其在重要生物体系中的应用。

核心突破：化“多步缝合”为“一步替换”

为了突破这些限制，研究团队独辟蹊径，不再执着于“拆开重缝”，而是开发了一种全新的“蛋白质重排”策略。其核心灵感来源于DNA编辑技术，但操作对象是蛋白质。

该技术的关键在于一对工程化的“对称分裂内肽”。它们可以被视为一对特异的“分子剪刀和针线”（编辑过程在电穿孔递送内肽供体后仅需10分钟即可完成）。其工作流程如下：

精准“剪切”：一对分裂内肽能够精确识别并切割目标蛋白质特定位点的两端，将一段原始序列“剪切”下来。

高效“粘贴”：与此同时，另一对互补的分裂内肽，会将一段携带了所需修饰（如荧光标签、翻译后修饰模拟物等）的合成肽段，“粘贴”到被剪开的缺口上。

自动缝合：整个“剪切-粘贴”反应在同一反应体系、一步之内自发完成，且反应条件温和，能够完美维持蛋白质原有的天然折叠状态。

一种基于断裂内肽介导的蛋白质转移反应的设计（图源自Science）

划时代优势：在“活”的蛋白质结构中直接编辑

这项名为“蛋白质重排”的技术，带来了方法学上的范式转移：

位点无限制：理论上可以在蛋白质序列的任何内部位置进行编辑，不再受末端限制。

高效且通用：一步反应取代多步连接，产率高，并可适用于传统方法难以处理的大型、多亚基蛋白质复合物，因为整个编辑过程无需将蛋白质完全解折叠。

功能强大：能够引入多种多样的“非编码元素”，如精细的翻译后修饰（磷酸化、乙酰化等）、稳定的同位素标记、以及用于成像或交联的化学探针。

科学与应用前景

这项技术为结构生物学、化学生物学和药物研发打开了新世界的大门。科学家们现在可以：

窥探动态过程：在天然折叠的蛋白质复合物内部特定位点插入荧光探针，实时观测其构象变化。

破解疾病机制：精准模拟癌症或神经退行性疾病中特定的蛋白质异常修饰，并在正确的结构背景下研究其功能。

开发新型疗法：更高效地构建具有新型功能的蛋白质药物，例如在抗体或细胞因子的精确位点引入稳定化修饰或药物偶联物。

总之，这种“蛋白质重排”技术将蛋白质工程从笨拙的“拆解与重组”，升级为精准的“原位编辑”，使我们能够直接在蛋白质的天然栖息地——其正确的三维折叠状态下——对其进行设计与改造。这不仅是方法学的胜利，更为我们深入理解生命机理、设计与创造全新的蛋白质工具和药物，提供了前所未有的强大手段。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq8540