麻省理工團隊發明快速合成蛋白質的自動化方法，或將加速生物制藥行業發展

寇建超

蛋白質，是組成人體一切細胞和組織的重要成分，是生命的物質基礎。蛋白質在生物制藥領域有著重要的作用，其中許多蛋白質可被用于研發治療糖尿病、癌癥和關節炎等疾病的藥物。

但是，人工合成蛋白質是一個十分復雜、耗時的過程，在生物學上，多個氨基酸通過肽鍵連接形成多肽，多肽經過多級折疊后形成蛋白質。如何快速合成蛋白質？這一問題是近年來科學家一直試圖解決的問題。

人工縮短氨基酸之間的連接時間，或許是一個潛在的有效方法。一項來自麻省理工學院（MIT）化學系副教授布拉德利 · 彭特盧特團隊的最新研究有望實現這一目標。

據論文描述，他們可以在幾小時內將數百種氨基酸連接到一起，加快治療癌癥、糖尿病和其他疾病的藥物以及按需療法的研發，甚至允許科學家通過結合細胞中不存在的氨基酸來設計人工蛋白質。相關研究論文已發表在《科學》雜志上。

彭特盧特表示：“通過使用非天然氨基酸或特殊修飾，你可以設計出具有優越生物學功能的‘新型蛋白質，這些蛋白質在自然界環境下是不可能合成的?！?/p>

研究人員表示，他們可以通過化學方法生產多達 164 個氨基酸的蛋白質鏈，其中包括酶和生長因子。他們詳細分析了這些人工合成蛋白質中的一小部分，事實證明它們的功能與自然產生的蛋白質相當。

快速生產

目前，在人體中發現的大多數蛋白質最長可達 400 個氨基酸。合成這些蛋白質需要將所需蛋白質的基因遞送到充當活體工廠的細胞中。這一過程用于對細菌或酵母細胞進行編輯，以產生胰島素和其他藥物，比如生長激素。

“這是一個耗時的過程。”丹麥制藥企業諾和諾德化學研究主管托馬斯 · 尼爾森表示，他也是該論文的作者之一。“首先，你需要可用的基因，并且了解有關生物體細胞生物學的知識，這樣你就可以設計蛋白質的表達?！?/p>

20 世紀 60 年代，美國生物化學家羅伯特·梅里菲爾德提出了另一種生產蛋白質的方法，他后來也因在固相多肽合成領域的突出貢獻，而獲得了 1984 年的諾貝爾化學獎。人體用來制造蛋白質的氨基酸有 20 種，通過使用梅里菲爾德提出的方法，仍然需要大約一個小時才能把一個氨基酸添加到肽鏈上。

被研究團隊稱為“Amidator”的蛋白質自動合成儀器

近年來，彭特盧特團隊發明了一種更快速的方法來進行這些反應，這種方法基于一種被稱為流動化學的技術——快速流動多肽合成。在他們的機器中，化學物質通過機械泵和閥門混合，在合成過程中的每一步，化學物質循環通過一個裝有樹脂床的加熱反應器。在優化的方案中，形成每個肽鍵平均需要 2.5 分鐘，多達 25 個氨基酸的多肽可以在不到1小時內合成。

隨著這項技術的發展，生產多種蛋白質藥物的諾和諾德公司開始與彭特盧特的實驗室合作，合成更長的肽和蛋白質。為了達到這個目的，研究人員需要提高在氨基酸之間形成鈦鍵的反應效率。對于每一個反應，此前的效率為 95%～98%，但要想合成更長的蛋白質，效率需要超過99%。

“如果我們確實很擅長制造多肽，那我們就可以通過擴展技術來制造更長的蛋白質?！?彭特盧特說。“我們的想法是，設計一臺機器，用戶可以走到機器前，將蛋白質序列輸入機器中，然后將這些氨基酸高效地連接在一起，最終你就可以得到你想要的蛋白質。這是非常具有挑戰性的，如果有一步化學反應效率沒有接近 100%，你就不會得到你想要的蛋白質?！?/p>

為提高合成成功率并找到每個反應的最佳方法，研究人員在不同條件下進行氨基酸特異性偶聯反應。研究人員表示，他們在這項研究中制定了一個通用的協議，使得每個反應的平均效率高于 99%，當這么多的氨基酸被連接起來形成大分子蛋白質時，這就有了顯著的不同。

論文第一作者妮娜 · 哈特蘭普夫表示：“如果你想制造蛋白質，這額外的 1% 錯誤會產生很大的不同，因為會有副產品積累，而且你也需要為每個加入的氨基酸提供很高的成功率?！?/p>

利用這種方法，研究人員可以合成含有 164 種氨基酸的分選酶 A（Sortase A）、含有 86 個氨基酸的胰島素原、含有 129 個氨基酸的溶菌酶和其他蛋白質。所需的蛋白質必須經過純化，然后折疊成正確的形狀，這會為整個合成過程增加幾個小時。所有純化的合成蛋白質都以毫克量獲得，占總產量的 1%～5%。

藥物化學

研究人員還測試了 5 種合成蛋白質的生物學功能，發現它們與生物學表達的變體相當。

研究人員說，快速生成所需蛋白質序列的能力應該可以加快藥物研發和測試的速度。這項新技術還可以將活細胞 DNA 編碼的 20 種氨基酸以外的其他氨基酸整合到蛋白質中，極大擴展了可能制造出的蛋白質藥物的結構和功能多樣性。

“這為蛋白質藥物化學的新領域鋪平了道路?！?尼爾森表示，“這項技術確實為如今的制藥業注入了新的可能，為快速發現基于肽和蛋白質的生物制藥提供了新的機遇?！?/p>

如今，研究人員正改進這項技術，使其可以合成長達 300 個氨基酸的蛋白質。他們還致力于使整個生產過程自動化，當有蛋白質合成時，無需任何人工干預即可進行切割、純化和折疊。（摘自美《深科技》）（編輯/多洛米）