科學研究：快速合成蛋白質(zhì)的新技術(shù)

MIT的化學家開發(fā)出一種能快速生產(chǎn)長達164個氨基酸蛋白鏈的流程。這種基于流動的技術(shù)（flow-based technology）可以加速藥物的研發(fā)，并可使科學家設計出新的蛋白質(zhì)變體，其中包含細胞中非天然存在的氨基酸。研究小組稱這臺自動的桌面機器（如圖所示）為“Amidator”。 （圖片來源：麻省理工學院）

許多蛋白質(zhì)被作為藥物，用來治療糖尿病、癌癥和關(guān)節(jié)炎等疾病。人工合成這些蛋白質(zhì)是一個耗時的過程，并需要基因工程微生物或其他細胞來產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)。

如今，麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的化學家設計出一種流程，能大大減少產(chǎn)生合成蛋白質(zhì)所需的時間。他們的桌面自動流動合成機可以在幾個小時內(nèi)，將組成蛋白質(zhì)的數(shù)百種氨基酸串在一起。研究人員相信，他們的新技術(shù)可以加快“按需療法”（on-demand therapies）制造業(yè)和新藥的開發(fā)，并可使科學家通過加入細胞中不存在的氨基酸來設計人工蛋白。

MIT化學系副教授、研究的資深作者Brad Pentelute說：“你可以使用非天然氨基酸或在自然器官合成蛋白質(zhì)時無法進行的特殊修飾，設計出具有優(yōu)越生物學功能的新變體?！?/p>

在《科學》（Science）雜志上發(fā)表的一篇論文中，研究人員表明，他們可以通過化學方法產(chǎn)生長達164個氨基酸的蛋白質(zhì)鏈，包括酶和生長因子。他們對一小部分合成蛋白進行了詳細的分析，顯示其功能與對應的天然蛋白質(zhì)相當。

論文的主要作者分別是前MIT博士后Nina Hartrampf（現(xiàn)蘇黎世大學助理教授）、MIT研究生Azin Saebi和前MIT技術(shù)助理Mackenzie Poskus。

快速生產(chǎn)

在人體中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)蛋白質(zhì)長達400個氨基酸。大量合成這些蛋白質(zhì)需要將所需蛋白質(zhì)的基因輸送至作為活工廠的細胞中。該過程被用來編程細菌或酵母細胞產(chǎn)生胰島素和其他藥物，如生長激素。

諾和諾德公司（Novo Nordisk）的研究化學主管、這項研究的另一位作者Thomas Nielsen說：“這是一個耗時的過程。首先需要找到相應的基因，并了解生物的細胞生物學過程，這樣才能設計蛋白質(zhì)的表達?！?/p>

蛋白質(zhì)生產(chǎn)的另一種方法是以逐步的方式將氨基酸串聯(lián)在一起，由Bruce Merrifield在20世紀60年代首次提出。他后來因其在固相肽合成方面的工作而獲得諾貝爾化學獎。 有20種氨基酸是活細胞用來制造蛋白質(zhì)的，使用Merrifield首創(chuàng)的技術(shù)，大約需要一個小時的時間來完成在肽鏈中添加一個氨基酸所需的化學反應。

近年來，Pentelute實驗室發(fā)明出一種更快速的方法來進行這些反應，其基礎是一種被稱為流動化學（flow chemistry）的技術(shù)。在他們的機器中，化學物質(zhì)使用機械泵和閥門混合。在整個合成的每一步，這些化學物質(zhì)都通過含有樹脂床的加熱反應器循環(huán)。在優(yōu)化的流程中，形成每個肽鍵平均需要2.5分鐘，長達25個氨基酸的肽可在不到一個小時內(nèi)組裝完。

隨著這項技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)出幾種蛋白質(zhì)藥物的諾和諾德公司開始對與Pentelute實驗室合作，以合成更長的肽和蛋白質(zhì)感興趣。為實現(xiàn)這一目標，研究人員需要提高鏈中氨基酸之間形成肽鍵的反應效率。對于每個反應，他們以前的效率在95%~98%；但對于較長的蛋白質(zhì)，他們需要反應效率超過99%。

Pentelute說：“其基本原理是，如果我們在制造多肽方面做得很好，就可以將這項技術(shù)拓展到制造蛋白質(zhì)上。 這個想法需要有一臺機器，用戶可以走過去，輸入一串蛋白質(zhì)序列，然后它就將這些氨基酸串在一起。這樣一天結(jié)束時，就可以得到想要的蛋白質(zhì)。這是非常具有挑戰(zhàn)性的，因為如果每一步的化學反應都不接近100%，你就不會得到任何想要的材料?！?/p>

研究人員表示，為了提高成功率，并找到每個反應的最佳配方，他們在許多不同的條件下進行了氨基酸特異性偶聯(lián)反應。在這項研究中，他們組裝了一個通用的流程，每個反應的平均效率超過99%。當如此多的氨基酸被連接形成大的蛋白質(zhì)時，這就產(chǎn)生了顯著的差異。

Hartrampf說：“如果你想制造蛋白質(zhì)，那么額外的1%就會產(chǎn)生巨大的差異。因為副產(chǎn)品的積累，每一個加入的氨基酸都需要很高的成功率。

利用這種方法，研究人員能夠合成一種含有164種氨基酸的細菌蛋白Sortase A。他們還生產(chǎn)出胰島素原，一種含有86個氨基酸的胰島素前體；一種稱為溶菌酶的酶，它有129個氨基酸；以及一些其他蛋白質(zhì)。所需的蛋白質(zhì)必須被純化，然后折疊成正確的形狀。這使整個合成過程增加了幾個小時。所有純化的合成蛋白均以毫克量級獲得，占總產(chǎn)物的1%~5%。

藥物化學

研究人員還測試了五種合成蛋白的生物學功能，發(fā)現(xiàn)它們與生物表達的變體相當。

研究人員指出，快速產(chǎn)生任何所需蛋白質(zhì)序列的能力，能夠加速開發(fā)和測試藥物。這項新技術(shù)還允許將活細胞DNA編碼的20種氨基酸以外的氨基酸加入到蛋白質(zhì)中，極大地擴展了可能產(chǎn)生的潛在蛋白質(zhì)藥物結(jié)構(gòu)和功能的多樣性。

Nielsen說：“這為蛋白質(zhì)藥物化學的新領(lǐng)域鋪平了道路。這項技術(shù)的確補充了制藥業(yè)現(xiàn)有的技術(shù)，并為快速發(fā)現(xiàn)多肽和蛋白質(zhì)生物藥物提供了新的機會?！?/p>

研究人員正在進一步改進這項技術(shù)，使其能夠組裝長達300個氨基酸的蛋白鏈。他們還在致力于實現(xiàn)整個制造過程的自動化，以便蛋白質(zhì)被合成后，切割、純化和折疊步驟也會隨之發(fā)生，不需要任何人工干預。

作者：Sarah McDonnell

翻譯：胡舒昶

審校：巢栩嘉

引進來源：麻省理工學院

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