科學(xué)研究：快速合成蛋白質(zhì)的新技術(shù)

MIT的化學(xué)家開發(fā)出一種能快速生產(chǎn)長達(dá)164個(gè)氨基酸蛋白鏈的流程。這種基于流動(dòng)的技術(shù)（flow-based technology）可以加速藥物的研發(fā)，并可使科學(xué)家設(shè)計(jì)出新的蛋白質(zhì)變體，其中包含細(xì)胞中非天然存在的氨基酸。研究小組稱這臺(tái)自動(dòng)的桌面機(jī)器（如圖所示）為“Amidator”。 （圖片來源：麻省理工學(xué)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(gè)耗時(shí)的過程，并需要基因工程微生物或其他細(xì)胞來產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)。

如今，麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的化學(xué)家設(shè)計(jì)出一種流程，能大大減少產(chǎn)生合成蛋白質(zhì)所需的時(shí)間。他們的桌面自動(dòng)流動(dòng)合成機(jī)可以在幾個(gè)小時(shí)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(xué)家通過加入細(xì)胞中不存在的氨基酸來設(shè)計(jì)人工蛋白。

MIT化學(xué)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(shí)無法進(jìn)行的特殊修飾，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)越生物學(xué)功能的新變體?！?/p>

在《科學(xué)》（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(xué)方法產(chǎn)生長達(dá)164個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)鏈，包括酶和生長因子。他們對(duì)一小部分合成蛋白進(jìn)行了詳細(xì)的分析，顯示其功能與對(duì)應(yīng)的天然蛋白質(zhì)相當(dāng)。

論文的主要作者分別是前MIT博士后Nina Hartrampf（現(xiàn)蘇黎世大學(xué)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(dá)400個(gè)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(xì)胞中。該過程被用來編程細(xì)菌或酵母細(xì)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(xué)主管、這項(xiàng)研究的另一位作者Thomas Nielsen說：“這是一個(gè)耗時(shí)的過程。首先需要找到相應(yīng)的基因，并了解生物的細(xì)胞生物學(xué)過程，這樣才能設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的表達(dá)?！?/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(jì)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(xué)獎(jiǎng)。 有20種氨基酸是活細(xì)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(gè)小時(shí)的時(shí)間來完成在肽鏈中添加一個(gè)氨基酸所需的化學(xué)反應(yīng)。

近年來，Pentelute實(shí)驗(yàn)室發(fā)明出一種更快速的方法來進(jìn)行這些反應(yīng)，其基礎(chǔ)是一種被稱為流動(dòng)化學(xué)（flow chemistry）的技術(shù)。在他們的機(jī)器中，化學(xué)物質(zhì)使用機(jī)械泵和閥門混合。在整個(gè)合成的每一步，這些化學(xué)物質(zhì)都通過含有樹脂床的加熱反應(yīng)器循環(huán)。在優(yōu)化的流程中，形成每個(gè)肽鍵平均需要2.5分鐘，長達(dá)25個(gè)氨基酸的肽可在不到一個(gè)小時(shí)內(nèi)組裝完。

隨著這項(xiàng)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(duì)與Pentelute實(shí)驗(yàn)室合作，以合成更長的肽和蛋白質(zhì)感興趣。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員需要提高鏈中氨基酸之間形成肽鍵的反應(yīng)效率。對(duì)于每個(gè)反應(yīng)，他們以前的效率在95%~98%；但對(duì)于較長的蛋白質(zhì)，他們需要反應(yīng)效率超過99%。

Pentelute說：“其基本原理是，如果我們?cè)谥圃於嚯姆矫孀龅煤芎?，就可以將這項(xiàng)技術(shù)拓展到制造蛋白質(zhì)上。 這個(gè)想法需要有一臺(tái)機(jī)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(shí)，就可以得到想要的蛋白質(zhì)。這是非常具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槿绻恳徊降幕瘜W(xué)反應(yīng)都不接近100%，你就不會(huì)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(gè)反應(yīng)的最佳配方，他們?cè)谠S多不同的條件下進(jìn)行了氨基酸特異性偶聯(lián)反應(yīng)。在這項(xiàng)研究中，他們組裝了一個(gè)通用的流程，每個(gè)反應(yīng)的平均效率超過99%。當(dāng)如此多的氨基酸被連接形成大的蛋白質(zhì)時(shí)，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(huì)產(chǎn)生巨大的差異。因?yàn)楦碑a(chǎn)品的積累，每一個(gè)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(xì)菌蛋白Sortase A。他們還生產(chǎn)出胰島素原，一種含有86個(gè)氨基酸的胰島素前體；一種稱為溶菌酶的酶，它有129個(gè)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(gè)合成過程增加了幾個(gè)小時(shí)。所有純化的合成蛋白均以毫克量級(jí)獲得，占總產(chǎn)物的1%~5%。

藥物化學(xué)

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

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(xiàng)新技術(shù)還允許將活細(xì)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?cái)U(kuò)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(xué)的新領(lǐng)域鋪平了道路。這項(xiàng)技術(shù)的確補(bǔ)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(jī)會(huì)?！?/p>

研究人員正在進(jìn)一步改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，使其能夠組裝長達(dá)300個(gè)氨基酸的蛋白鏈。他們還在致力于實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程的自動(dòng)化，以便蛋白質(zhì)被合成后，切割、純化和折疊步驟也會(huì)隨之發(fā)生，不需要任何人工干預(yù)。

作者：Sarah McDonnell

翻譯：胡舒昶

審校：巢栩嘉

引進(jìn)來源：麻省理工學(xué)院

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