身懷十八般武藝的合成蛋白

褚沛然

從染色體到細胞再到組織、器官，無一不見蛋白質的身影；從DNA復制，到細胞分裂再到催化生物體內各種復雜的化學反應以及免疫反應的進行，蛋白質都必不可少。它占人體細胞去除水分后凈重的50%以上，是生命活動的主要承擔者。

而“多才多藝”的蛋白質是由生物體內20種氨基酸經過復雜的排列組合生成的。自然合成的蛋白質雖然種類很多，但相較于20種氨基酸不同的排列組合總數來說，還只是很小的一部分，宛如茫茫沙漠中的一粒沙。因此，蛋白質除自然合成的之外，其它的龐大種類還有待開發，所以化學合成蛋白質有極大的發展空間并且有廣闊的運用前景。

蛋白質的化學合成的第一步是先設想所合成蛋白質如何運用，也就是說先設想好目標蛋白質的功能并據此設計出蛋白質結構，再推導出合成這種蛋白質需要哪些氨基酸。

那么，合成蛋白質將會在哪些領域大顯身手呢？

人工合成酶

細胞內的新陳代謝離不開酶的催化，生物體內的酶只有少部分是RNA，大部分是蛋白質。生物體內的各種代謝活動都離不開酶的參與，比如你需要通過無時無刻的呼吸作用產生能量，這就離不開酶的作用。如果沒有酶的參與，生物的生理活動就會變得遲緩。并且，酶具有專一性，一種酶只能催化一類反應。

事實上，科學家們已經成功合成了一種新的蛋白酶，能夠在活細胞內創建新的代謝途徑。這項研究不僅為人工合成酶提供了思路，還使我們對于酶的結構和作用有了更深刻的理解。此外，化學合成的蛋白酶還應用于催化醫藥反應過程，例如催化作用于腹腔疾病的口服藥物，催化其他化學合成蛋白和引起阿爾茨海默癥毒蛋白的中和反應。

目前，科學家們已經逐步理解已知生物酶大家族的基本架構，這為未來合成新型蛋白酶指明了方向。

靶向治療搬運工

靶向治療是目前認為在癌癥治療中最有效也是對正常細胞傷害最小的方式，而如何將藥物運送到癌變部位還能保持其活性是靶向治療中的關鍵步驟。最近，科學家研制出了一種載體——人工蛋白質納米顆粒，由化學合成蛋白質與納米顆粒相結合，用于解決這個問題。

人工蛋白質納米顆粒結構類似于一個小容器，可以把它想象成一個膠囊，里面裝載著特定的藥物，同時納米顆粒進入人體后，會不可避免地吸收人體體液中的蛋白質分子，蛋白質分子籠罩在納米顆粒的周圍，像是戴上一頂帽子，形成了納米顆粒—蛋白質冠。到達病變細胞后，蛋白質冠會與病變細胞上的蛋白質發生反應，裝載的藥物會被釋放出來，直接作用于病變細胞。

這種人工蛋白質納米顆粒運載技術是一種全新的靶向藥物運載技術，能夠精準定位病變細胞，對其他活細胞沒有毒副作用。值得一提的是科學家已經成功合成一種治療腦疾病的蛋白質納米粒子，能夠穿透血管和腦之間的“血腦屏障”，將藥物直接作用于病變腦細胞處，這為腦疾病的治療開辟了新的道路。

新型疫苗

除了藥物運輸，人工蛋白質納米顆粒也是發展新型疫苗的基礎。科學家們希望納米顆粒表面的毒蛋白能夠引起細胞的特異性免疫反應，為防御艾滋病病毒和流感病毒打下基礎。

最近，這些合成蛋白質納米顆粒是否能夠為疫苗的保存打開一片新的天地引起了廣泛關注。現在的疫苗都采用冷凍儲存的方式，世界上的許多貧困地區因為條件的限制無法保存疫苗，這限制了疫苗的普及工作。而新型的人工蛋白質納米顆粒疫苗將會具有熱穩定性，在較高的溫度下也能夠保存，這將使全球更大的地區都能夠獲得并保存疫苗。

新型多肽藥物

多肽藥物的合成也是蛋白質化學合成的一個重要部分。多肽藥物相較于傳統小分子藥物，具有特異性高，毒副作用小，臨床成功率高等優點。一般由2個到50個氨基酸合成，相較于蛋白質藥物，研發相對簡單，生產成本更低。它在一定程度上彌補了大分子藥物和小分子藥物之間的空缺，因為同時具有大分子藥物和小分子藥物的優點。但是，多肽藥物仍存在兩個致命的缺點：難以通過細胞膜和容易被分解，這導致目前多肽藥物無法成為藥物市場的主流。

最近，科學家用計算機模擬了合成多肽藥物及其降解過程，發現能夠在引入非天然的氨基酸，讓它們與天然的多肽結合，合成新的多肽鏈，這樣的多肽能免于高溫降解或化學降解。這種方法為研發新的多肽藥物提供了基本架構。

合成蛋白質多用途

化學合成蛋白質的用途十分廣泛，遠不止上述所說的三種。

最近，科學家設計出了小型穩定的蛋白質與毒蛋白的有機化學反應。其中，有一種合成蛋白成功與病毒性糖蛋白血球凝集素反應，病毒性血球凝集素是導致流感病毒進入細胞的罪魁禍首。在小鼠的實驗中，化學合成蛋白使患流感小鼠恢復了健康，同時還據具有預防流感的功效。這使得研制強效抗流感藥物成為可能。同樣的研制方法還應用于抗埃博拉病毒藥、治療癌癥以及抗自體免疫疾病的藥物研制。

除此之外，合成蛋白還應用于超級材料的制作。自然界中也存在一些超級材料，由有機物和無機物混合組成，比如鮑魚殼，它由氧化鈣和蛋白質結合而成，具有超強的硬度。很明顯，蛋白質的加入改變了原本的無機物應形成的結構，對整體機構及性能產生了影響。化學合成蛋白質能夠復制這一過程，即與無機物相結合，創造出更多的超級材料。例如，用合成蛋白質和無機材料交錯碼放制成一個超薄表面，這為制作抗腐蝕性薄膜和有機太陽能電池提供了思路。

另外，喜歡探索的科學家們正嘗試用合成蛋白質制作出一個“蛋白質邏輯系統”。我們的大腦的正常高效的運作基本上完全依賴于蛋白質，有沒有可能制造出一個像大腦一樣的蛋白質邏輯系統，以取代現在的無機計算機系統呢？要解決這個問題，還需要對大腦的運作機制進行透徹的研究。

合成蛋白具有無限可能，隨著生物技術的不斷發展，身懷十八般武藝的化學合成蛋白質必定能夠大展拳腳。endprint