本文属于类型a，即报告了一项原创性研究的科学论文。以下是对该研究的详细学术报告：

1. 研究作者与机构

本研究的主要作者包括Alan Costello、Alexander A. Peterson、David L. Lanster、Zhiyi Li、Gavriela D. Carver和Ahmed H. Badran。他们分别来自The Scripps Research Institute（美国加州拉霍亚）和Princeton University（美国新泽西州普林斯顿）。该研究于2024年8月13日被接受，并发表在《Nature Biotechnology》期刊上。

2. 学术背景

本研究属于合成生物学和遗传密码扩展（genetic code expansion, GCE）领域。遗传密码扩展是指通过引入非天然氨基酸（noncanonical amino acids, NCAAs）来扩展生物体的遗传密码，从而赋予蛋白质新的功能。然而，现有的NCAAs引入策略存在效率低、依赖上下文等问题。本研究旨在通过优化密码子使用，开发一种基于质粒的密码子压缩策略，以提高NCAAs在四联体密码子（quadruplet codons）中的引入效率，并探索其在多路复用遗传密码扩展中的应用。

3. 研究流程

研究分为多个步骤，主要包括： 1. 密码子使用对四联体解码的影响：通过构建超折叠绿色荧光蛋白（sfGFP）报告系统，研究局部和全局密码子使用对四联体解码效率的影响。研究发现，高使用率的密码子能够显著提高四联体解码的效率。 2. 质粒设计优化：研究人员设计了一种基于质粒的密码子压缩策略，将所有质粒编码的基因重新编码为每个氨基酸使用单一高使用率密码子。这一策略减少了密码子之间的竞争，提高了NCAAs的引入效率。 3. 正交tRNA-合成酶对的筛选与优化：通过高通量筛选，研究人员鉴定了12对相互正交的tRNA-合成酶对，并进一步优化了其中的5对，使其能够在四联体密码子中高效引入多种NCAAs。 4. 体内生物合成平台的应用：研究人员将这些资源应用于体内生物合成平台，成功合成了包含多达三种不同NCAAs的肽大环化合物（peptide macrocycles）。

4. 主要结果

1. 密码子使用对四联体解码的影响：研究发现，高使用率的密码子能够显著提高四联体解码的效率，特别是在四联体密码子的下游位置。
2. 正交tRNA-合成酶对的筛选与优化：研究人员鉴定了12对相互正交的tRNA-合成酶对，并进一步优化了其中的5对，使其能够在四联体密码子中高效引入多种NCAAs。
3. 体内生物合成平台的应用：研究人员成功合成了包含多达三种不同NCAAs的肽大环化合物，展示了该平台在多路复用遗传密码扩展中的潜力。

5. 结论与意义

本研究通过优化密码子使用和开发新的质粒设计策略，显著提高了NCAAs在四联体密码子中的引入效率。这一成果不仅为多路复用遗传密码扩展提供了新的工具，还为合成生物学和生物工程领域开辟了新的研究方向。此外，该研究还为体内合成具有新功能的肽大环化合物提供了高效平台，具有广泛的应用前景。

6. 研究亮点

1. 密码子使用对四联体解码的影响：首次揭示了密码子使用对四联体解码效率的显著影响。
2. 质粒设计优化：开发了一种基于质粒的密码子压缩策略，显著提高了NCAAs的引入效率。
3. 正交tRNA-合成酶对的筛选与优化：鉴定了12对相互正交的tRNA-合成酶对，并优化了其中的5对，使其能够在四联体密码子中高效引入多种NCAAs。
4. 体内生物合成平台的应用：成功合成了包含多达三种不同NCAAs的肽大环化合物，展示了该平台在多路复用遗传密码扩展中的潜力。

7. 其他有价值的内容

本研究还展示了如何通过优化tRNA表达和合成酶的底物范围，进一步提高NCAAs的引入效率。此外，研究人员还开发了一种多顺反子tRNA表达盒，显著提高了多路复用四联体解码的效率。

总之，本研究通过优化密码子使用和开发新的质粒设计策略，显著提高了NCAAs在四联体密码子中的引入效率，为合成生物学和生物工程领域提供了新的工具和平台。