探索蛋白質人工化學合成的奧秘

推介單位：北京化學會

受訪專家：劉磊

采編：許洛袈

劉 磊

清華大學化學系主任，教授，博士生導師。曾獲“中國化學會青年化學獎”“藥明康德生命化學研究獎”“2020科學探索獎”等。

在過去的數十年中，蛋白質的人工化學合成取得了巨大進步。相較于自然界的生物合成，化學合成可創制具有各種精確控制結構及非天然結構的人造蛋白質，對于發展滿足我們需求的蛋白質工具和蛋白質產品帶來了新機遇。在2022年首都前沿學術成果報告會（化學生物學領域）上，科協頻道、《科研成果與傳播》雜志針對蛋白質人工化學合成現狀、發展及應用等話題，對清華大學化學系主任、“2020科學探索獎”獲得者劉磊進行了專訪。

更高效的蛋白質化學合成方法

蛋白質在活體生物的細胞過程中起著核心作用，其中特定蛋白質執行的生化功能依賴于其三維空間立體結構，這個結構由組成蛋白質肽鏈的氨基酸序列所決定。為了研究蛋白質分子的功能和機制，或發展新功能的蛋白質，我們需要獲得蛋白質。而生物學通過分子克隆和重組表達生產的蛋白質具有結構上的限制，并不能產生我們需要的各種蛋白質，因此使用化學方法人工合成蛋白質是我們需要探索的研究。

1965年，中國科學家在世界上首次人工合成牛胰島素，開啟了生命化學研究的新時代。歷經后續科研工作者的不斷努力，化學合成蛋白質依靠化學選擇性連接反應（chemical ligation）將固相合成的多肽（含50～60個氨基酸單元）特異性連接成為蛋白質，成為合成200個氨基酸在內的主流方案。然而受限于N端氨基酸種類有限以及合成多肽硫酯較為困難，這種方法存在效率不足的瓶頸。

“我們的研究主要得益于一個偶然的發現。我們發現多肽酰肼可以使得化學合成蛋白質的反應更為高效、便捷且具有選擇性，使得合成的蛋白質從之前的100～200個氨基酸跨越到現在的500個氨基酸，并且正朝著1000個氨基酸的方向努力。目前酰肼法已成為國際上人工合成蛋白質的一種常用方法。”劉磊說。

開發蛋白質工具及藥物

相較于使用生物（如大腸桿菌）合成蛋白質，使用化學合成蛋白質能在序列中插入任意非天然氨基酸殘基、非蛋白質基團及標記物（如熒光團）等，從而成為闡明蛋白質結構-功能關系的重要分子工具，并且也為創造新結構的生物大分子藥物帶來了機遇。

蛋白質化學合成目前主要有幾個方面的應用，劉磊介紹：“一是我們發展的化學合成蛋白質的新技術與新方法，在國內外的一些企業中已經投入藥物研發和生產;二是我們發展的一些蛋白質工具、蛋白質試劑等產品在國際上得到更多的應用;最后是蛋白質藥物，我們化學合成的蛋白質可以搭建藥物的篩選系統或者使用本身帶有活性的人造蛋白質來作為藥物。”

“我們從蛋白質化學合成出發積極參加同事們的一些合作探索，例如與清華大學生命科學學院陳曄光教授合作研究抗腫瘤活性肽，在類器官模型上發現了活性，正進入轉化開發。與清華大學藥學院何偉教授合作研究抗新冠病毒的藥物，近期獲得了一些進展。與中國科學技術大學田長麟教授合作研究針對GPCR家族的多肽藥物，嘗試將其用于一些診療中。”劉磊說。

蛋白質化學合成的極限在于不斷的探索與新發現

通過化學方法合成蛋白質，并非要對抗具有精妙能力的自然生物合成的效能。事實上，人工合成蛋白質的基本任務是去制備我們需要獲得的、但又無法利用生物技術去獲取的蛋白質，即化學合成是我們解決問題不得不采用的一種必需手段。這些蛋白質的用途包括研究自然界的奧秘，理解蛋白質的行為以及與藥物相互作用的過程，是基礎科學的一種探索。

利用合成化學制造各種可能的蛋白質是一個長遠的目標。“如果從自然界的現有極限來看，我們在未來一段時間內實現的目標可能是克服一個物種，例如大腸桿菌物種的蛋白質組全覆蓋，在此基礎上去研究生命過程中一些與藥物相關的重要蛋白質并發展更多的蛋白質藥物。如果要覆蓋人類的全蛋白質組可能是更長遠的目標。而要能合成自然界任意可能擁有的蛋白質，這或許是一個更加長遠的愿望。隨著每個目標的實現，過程中的每一步都將是我們在歷史上能夠推動的合成化學的進步，并且在此基礎上更好地審視蛋白質作為生命分子當中關鍵的科學奧秘以及如何在化學上真正了解蛋白質藥物的設計思路和作用機制。半個世紀前，中國科學家不畏艱難，在世界上首次實現牛胰島素的人工合成，這激勵著我們后輩在欣欣向榮的新時代里要加倍努力，蛋白質人工化學合成的極限在于不斷的探索與新發現。”劉磊說。