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麻省理工团队发明快速合成蛋白质的自动化方法,或将加速生物制药行业发展

北极蚊子 2020-6-2 15:50

蛋白质,是组成人体一切细胞和组织的重要成分,是生命的物质基础。蛋白质在生物制药领域有着重要的作用,其中许多蛋白质可被用于研发治疗糖尿病、癌症和关节炎等疾病的药物。

但是,人工合成蛋白质是一个十分复杂、耗时的过程,在生物学上,多个氨基酸通过肽键连接形成多肽,多肽经过多级折叠后形成蛋白质。如何快速合成蛋白质?这一问题是近年来科学家一直试图解决的问题。

人工缩短氨基酸之间的连接时间,或许是一个潜在的有效方法。一项来自麻省理工学院(MIT)化学系副教授布拉德利 · 彭特卢特(Bradley Pentelute)团队的最新研究有望实现这一目标。

据论文描述,他们可以在几小时内将数百种氨基酸连接到一起,加快治疗癌症、糖尿病和其他疾病的药物以及按需疗法的研发,甚至允许科学家通过结合细胞中不存在的氨基酸来设计人工蛋白质。相关研究论文已发表在《科学》( science )杂志上。

彭特卢特表示, “通过使用非天然氨基酸或特殊修饰,你可以设计出具有优越生物学功能的‘新型’蛋白质,这些蛋白质在自然界环境下是不可能合成的。”

研究人员表示,他们可以通过化学方法生产多达 164 个氨基酸的蛋白质链,其中包括酶和生长因子。他们详细分析了这些人工合成蛋白质中的一小部分,事实证明它们的功能与自然产生的蛋白质相当。

快速生产

目前,在人体中发现的大多数蛋白质最长可达 400 个氨基酸。合成这些蛋白质需要将所需蛋白质的基因递送到充当活体工厂的细胞中。这一过程用于对细菌或酵母细胞进行编辑,以产生胰岛素和其他药物,比如生长激素。

“这是一个耗时的过程。”丹麦制药企业诺和诺德(Novo Nordisk)化学研究主管托马斯 · 尼尔森(Thomas Nielsen)表示,他也是该论文的作者之一。“首先,你需要可用的基因,并且了解有关生物体细胞生物学的知识,这样你就可以设计蛋白质的表达。”

20 世纪 60 年代,美国生物化学家罗伯特 · 梅里菲尔德(Robert Merrifield)提出了另一种生产蛋白质的方法,他后来也因在固相多肽合成(Solid-phase peptide synthesis,SPPS)领域的突出贡献,而获得了 1984 年的诺贝尔化学奖。人体用来制造蛋白质的氨基酸有 20 种,通过使用梅里菲尔德提出的方法,仍然需要大约一个小时才能把一个氨基酸添加到肽链上。

近年来,彭特卢特团队发明了一种更快速的方法来进行这些反应,这种方法基于一种被称为流动化学的技术——快速流动多肽合成(Automated fast-flow peptide synthesis,AFPS)。在他们的机器中,化学物质通过机械泵和阀门混合,在合成过程中的每一步,化学物质循环通过一个装有树脂床的加热反应器。 在优化的方案中,形成每个肽键平均需要 2.5 分钟,多达 25 个氨基酸的多肽可以在不到一小时内合成。

随着这项技术的发展,生产多种蛋白质药物的诺和诺德公司开始与彭特卢特的实验室合作,合成更长的肽和蛋白质。为了达到这个目的,研究人员需要提高在氨基酸之间形成钛键的反应效率。对于每一个反应,此前的效率为 95% 到 98%,但要想合成更长的蛋白质,效率需要超过 99%。

“如果我们确实很擅长制造多肽,那我们就可以通过扩展技术来制造更长的蛋白质,” 彭特卢特说,“我们的想法是,设计一台机器,用户可以走到机器前,将蛋白质序列输入机器中,然后将这些氨基酸高效地连接在一起,最终你就可以得到你想要的蛋白质。这是非常具有挑战性的,如果有一步化学反应效率没有接近 100%,你就不会得到你想要的蛋白质。”

为提高合成成功率并找到每个反应的最佳方法,研究人员在不同条件下进行氨基酸特异性偶联反应。研究人员表示,他们在这项研究中制定了一个通用的协议,使得每个反应的平均效率高于 99%,当这么多的氨基酸被连接起来形成大分子蛋白质时,这就有了显著的不同。

图|被研究团队称为 “ Amidator” 的蛋白质自动合成仪器

论文第一作者妮娜 · 哈特兰普夫(Nina Hartrampf)表示,“如果你想制造蛋白质,这额外的 1% 错误会产生很大的不同,因为会有副产品积累,而且你也需要为每个加入的氨基酸提供很高的成功率。

利用这种方法,研究人员可以合成含有 164 种氨基酸的分选酶 A(Sortase A)、含有 86 个氨基酸的胰岛素原(proinsulin)、含有 129 个氨基酸的溶菌酶(lysozyme)和其他蛋白质。所需的蛋白质必须经过纯化,然后折叠成正确的形状,这会为整个合成过程增加几个小时。所有纯化的合成蛋白质都以毫克量获得,占总产量的 1% 到 5%。

药物化学

研究人员还测试了 5 种合成蛋白质的生物学功能,发现它们与生物学表达的变体相当。

研究人员说,快速生成所需蛋白质序列的能力应该可以加快药物研发和测试的速度。这项新技术还可以将活细胞 DNA 编码的 20 种氨基酸以外的其他氨基酸整合到蛋白质中,极大扩展了可能制造出的蛋白质药物的结构和功能多样性。

“这为蛋白质药物化学的新领域铺平了道路,” 尼尔森表示,“ 这项技术确实为如今的制药业注入了新的可能,为快速发现基于肽和蛋白质的生物制药提供了新的机遇。”

如今,研究人员正改进这项技术,使其可以合成长达 300 个氨基酸的蛋白质。他们还致力于使整个生产过程自动化,当有蛋白质合成时,无需任何人工干预即可进行切割、纯化和折叠。

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