科學研究：快速合成蛋白質的新技術

MIT的化學家開發出一種能快速生產(chan) 長達164個(ge) 氨基酸蛋白鏈的流程。這種基於(yu) 流動的技術（flow-based technology）可以加速藥物的研發，並可使科學家設計出新的蛋白質變體(ti) ，其中包含細胞中非天然存在的氨基酸。研究小組稱這台自動的桌麵機器（如圖所示）為(wei) “Amidator”。 （圖片來源：麻省理工學院）

許多蛋白質被作為(wei) 藥物，用來治療糖尿病、癌症和關(guan) 節炎等疾病。人工合成這些蛋白質是一個(ge) 耗時的過程，並需要基因工程微生物或其他細胞來產(chan) 生所需的蛋白質。

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(chan) 生合成蛋白質所需的時間。他們(men) 的桌麵自動流動合成機可以在幾個(ge) 小時內(nei) ，將組成蛋白質的數百種氨基酸串在一起。研究人員相信，他們(men) 的新技術可以加快“按需療法”（on-demand therapies）製造業(ye) 和新藥的開發，並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化學係副教授、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時無法進行的特殊修飾，設計出具有優(you) 越生物學功能的新變體(ti) 。”

在《科學》（Science）雜誌上發表的一篇論文中，研究人員表明，他們(men) 可以通過化學方法產(chan) 生長達164個(ge) 氨基酸的蛋白質鏈，包括酶和生長因子。他們(men) 對一小部分合成蛋白進行了詳細的分析，顯示其功能與(yu) 對應的天然蛋白質相當。

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

快速生產(chan)

在人體(ti) 中發現的大多數蛋白質長達400個(ge) 氨基酸。大量合成這些蛋白質需要將所需蛋白質的基因輸送至作為(wei) 活工廠的細胞中。該過程被用來編程細菌或酵母細胞產(chan) 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(ge) 耗時的過程。首先需要找到相應的基因，並了解生物的細胞生物學過程，這樣才能設計蛋白質的表達。”

蛋白質生產(chan) 的另一種方法是以逐步的方式將氨基酸串聯在一起，由Bruce Merrifield在20世紀60年代首次提出。他後來因其在固相肽合成方麵的工作而獲得諾貝爾化學獎。 有20種氨基酸是活細胞用來製造蛋白質的，使用Merrifield首創的技術，大約需要一個(ge) 小時的時間來完成在肽鏈中添加一個(ge) 氨基酸所需的化學反應。

近年來，Pentelute實驗室發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(wei) 流動化學（flow chemistry）的技術。在他們(men) 的機器中，化學物質使用機械泵和閥門混合。在整個(ge) 合成的每一步，這些化學物質都通過含有樹脂床的加熱反應器循環。在優(you) 化的流程中，形成每個(ge) 肽鍵平均需要2.5分鍾，長達25個(ge) 氨基酸的肽可在不到一個(ge) 小時內(nei) 組裝完。

隨著這項技術的發展，生產(chan) 出幾種蛋白質藥物的諾和諾德公司開始對與(yu) Pentelute實驗室合作，以合成更長的肽和蛋白質感興(xing) 趣。為(wei) 實現這一目標，研究人員需要提高鏈中氨基酸之間形成肽鍵的反應效率。對於(yu) 每個(ge) 反應，他們(men) 以前的效率在95%~98%；但對於(yu) 較長的蛋白質，他們(men) 需要反應效率超過99%。

Pentelute說：“其基本原理是，如果我們(men) 在製造多肽方麵做得很好，就可以將這項技術拓展到製造蛋白質上。 這個(ge) 想法需要有一台機器，用戶可以走過去，輸入一串蛋白質序列，然後它就將這些氨基酸串在一起。這樣一天結束時，就可以得到想要的蛋白質。這是非常具有挑戰性的，因為(wei) 如果每一步的化學反應都不接近100%，你就不會(hui) 得到任何想要的材料。”

研究人員表示，為(wei) 了提高成功率，並找到每個(ge) 反應的最佳配方，他們(men) 在許多不同的條件下進行了氨基酸特異性偶聯反應。在這項研究中，他們(men) 組裝了一個(ge) 通用的流程，每個(ge) 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時，這就產(chan) 生了顯著的差異。

Hartrampf說：“如果你想製造蛋白質，那麽(me) 額外的1%就會(hui) 產(chan) 生巨大的差異。因為(wei) 副產(chan) 品的積累，每一個(ge) 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(men) 還生產(chan) 出胰島素原，一種含有86個(ge) 氨基酸的胰島素前體(ti) ；一種稱為(wei) 溶菌酶的酶，它有129個(ge) 氨基酸；以及一些其他蛋白質。所需的蛋白質必須被純化，然後折疊成正確的形狀。這使整個(ge) 合成過程增加了幾個(ge) 小時。所有純化的合成蛋白均以毫克量級獲得，占總產(chan) 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，發現它們(men) 與(yu) 生物表達的變體(ti) 相當。

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

Nielsen說：“這為(wei) 蛋白質藥物化學的新領域鋪平了道路。這項技術的確補充了製藥業(ye) 現有的技術，並為(wei) 快速發現多肽和蛋白質生物藥物提供了新的機會(hui) 。”

研究人員正在進一步改進這項技術，使其能夠組裝長達300個(ge) 氨基酸的蛋白鏈。他們(men) 還在致力於(yu) 實現整個(ge) 製造過程的自動化，以便蛋白質被合成後，切割、純化和折疊步驟也會(hui) 隨之發生，不需要任何人工幹預。

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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