# Development and Applications of Unnatural Organisms with a 21 Amino Acid Genetic Code

> **NIH NIH R35** · RICE UNIVERSITY · 2022 · $378,416

## Abstract

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT 
 
In  most  organisms,  the  genetic  code,  consisting  of  64  triplets  of  nucleotides,  encodes  20  amino  acid  building 
blocks  used  in  the  synthesis  of  proteins.  The  overall  goal  of  the  PI’s  research  program  is  to  develop 
interdisciplinary  tools  to  reprogram  the  genetic  code  to  precisely  probe  and  manipulate  biological  systems. 
Central to reprogramming the genetic code is our ability to add noncanonical amino acids (ncAAs) to proteins of 
interest. The overall goal of this proposal is to develop cells able to biosynthesize and utilize ncAAs and explore 
the utility or these unnatural organisms in protein evolution and therapy development. To achieve this goal, the 
first  research  direction  will  focus  on  the  generation  of  completely  autonomous  organisms  with  a  variety  of  21st 
amino acids. The prokaryotic and eukaryotic cells with the 21st amino acid will harbor a biosynthetic pathway and 
a  bioorthogonal  aminoacyl-­tRNA  synthetase  (aaRS)/tRNA  pair  for  the  new  amino  acid  building  block.  The 
biosynthesis  pathway  of  ncAAs  will  be  obtained  from  other  species  or  via  metabolic  repurposing.  To  site-­
specifically incorporate these ncAAs into proteins, we will evolve bioorthogonal aaRS/tRNA pairs and add them 
to  the  cells.  The  resulting  organisms  with  a  21st  amino  acids  will  allow  for  the  evolution  of  proteins  with  novel 
activities  as  well  as  the  development  of  new  therapies.  To  evolve  novel  or  enhanced  enzyme  activity  not 
accessible by the 20 canonical amino acids, a library of ncAA-­containing enzyme mutants will be generated in 
the  unnatural  organisms  and  subjected  to  a  fluorescence-­activated  cell  sorting  (FACS)-­based  or  survival 
selection.  The  evolved  ncAA-­dependent  enzymes  can  be  used  to  prevent  the  unintended  proliferation  of 
genetically  modified  organisms  or  to  prepare  autotrophic  vaccines.  Next,  we  will  explore  the  utility  of  these 
unnatural  organisms  with  additional  protein  building  blocks  for  therapeutic  development.  The  prokaryotic  and 
eukaryotic cells able to biosynthesize and utilize amino acids with bioorthogonal handles will be used to produce 
antibody  variants  with  optimized  therapeutic  efficacy.  Engineered  immune  cells  with  additional  building  blocks 
will allow for the redirection of the specificity of chimeric antigen receptor (CAR)-­immune cells, thus providing a 
new  design  strategy  for  switchable  CAR-­immune  cells.  Our  efforts  in  this  project  will  yield  a  collection  of 
organisms  with  additional  amino  acids  building  blocks,  and  will  result  in  versatile  platforms  for  ncAA-­based 
protein evolution or therapeutic proteins that could revolutionize modern medicine.

## Key facts

- **NIH application ID:** 10433887
- **Project number:** 5R35GM133706-04
- **Recipient organization:** RICE UNIVERSITY
- **Principal Investigator:** Han Xiao
- **Activity code:** R35 (R01, R21, SBIR, etc.)
- **Funding institute:** NIH
- **Fiscal year:** 2022
- **Award amount:** $378,416
- **Award type:** 5
- **Project period:** 2019-09-01 → 2024-06-30

## Primary source

NIH RePORTER: https://reporter.nih.gov/project-details/10433887

## Citation

> US National Institutes of Health, RePORTER application 10433887, Development and Applications of Unnatural Organisms with a 21 Amino Acid Genetic Code (5R35GM133706-04). Retrieved via AI Analytics 2026-05-27 from https://api.ai-analytics.org/grant/nih/10433887. Licensed CC0.

---

*[NIH grants dataset](/datasets/nih-grants) · CC0 1.0*