Science：重磅！體外蛋白合成新技術可媲美細胞中的天然核糖體

許多蛋白作為治療糖尿病、癌症和關節炎等疾病的藥物是有用的。合成這些蛋白的人工版本是一個耗時的過程，需要通過對微生物或其他細胞進行基因改造來產生所需的蛋白。
在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院的研究人員開發出一種新技術，可以大幅降低產生合成蛋白所需的時間。他們的台式自動流動合成機（flow synthesis machine）可以在幾小時內將數百個氨基酸連接在一起。他們認為，他們的新技術可能加快按需藥物的製造和新藥的開發，並允許科學家通過加入細胞中不存在的氨基酸來設計人工蛋白。相關研究結果發表在2020年5月29日的Science期刊上，論文標題為“Synthesis of proteins by automated flow chemistry”。

來自麻省理工學院的研究人員開發出一種新的技術，可快速合成長達164個氨基酸的蛋白鏈。這種基於流動化學的技術可能加速藥物開發並使得科學家們能夠設計含有細胞中非天然存在的氨基酸的蛋白變體。如圖所示，這台台式自動流動合成機被這個研究團隊稱為“Amidator”。圖片來自MIT。

論文通訊作者、麻省理工學院化學副教授Brad Pentelute説，“你可以設計出具有卓越生物功能的新蛋白變體，這一點可通過使用非天然氨基酸或特定的修飾來實現，當你使用自然界的分子儀器製造蛋白時，這是不可能實現的。”
在這篇論文中，這些研究人員表明，他們可以用化學方法制造出多個長達164個氨基酸的蛋白鏈，包括酶和生長因子。對於這幾種合成蛋白，他們進行了詳細的分析，顯示它們的功能與天然的蛋白對應物相當。
快速生產
在人體中發現的大多數蛋白長達400個氨基酸。合成大量的這些蛋白需要將所需蛋白的基因遞送到作為活工廠的細胞中。這個過程用於對細菌或酵母細胞進行基因改造，以產生胰島素和其他藥物，如生長激素。
論文共同作者Thomas Nielsen説，“這是一個耗時的過程。首先你需要可用的基因，你需要了解一些關於有機體細胞生物學的知識，這樣你就可以進行基因改造使得你所需的蛋白表達。”
蛋白產生的另一種方法，最早是由Bruce Merrifield在20世紀60年代提出的，他後來因在固相肽合成方面的工作而獲得了諾貝爾化學獎。這種方法是通過化學方法逐步地將氨基酸連接在一起。活細胞用來構建蛋白的氨基酸有20種，而利用Merrifield開創的技術，大約需要一個小時的時間，就能完成將一個氨基酸添加到肽鏈上所需的化學反應。
近年來，Pentelute實驗室發明了一種更快速的方法來執行這些反應，這種方法基於一種稱為流動化學（flow chemistry）的技術。在他們的機器中，化學物通過機械泵和閥門進行混合，在整個合成過程的每一步，化學物都會經過一個包含樹脂牀的加熱反應器循環。在這種新研究中優化的方案中，形成每個肽鍵平均需要2.5分鐘，而長達25個氨基酸的肽可以在不到一個小時的時間內組裝完成。
在這項技術開發出來之後，製造出多種蛋白藥物的諾和諾德公司開始有興趣與Pentelute實驗室合作，旨在合成更長的肽和蛋白。為了實現這一目標，這些研究人員需要提高肽鏈中氨基酸之間形成肽鍵的反應效率。對於每個化學反應，他們之前的效率在95%到98%之間，但對於更長的蛋白，這一數字需要超過99%。
Pentelute説，“我們的理由是，如果我們真地很擅長製造肽，我們可以將這種技術擴展到製造蛋白。我們的想法是要有一台機器，用户可以走到它面前並輸入蛋白質序列，它將以一種高效的方式將所需的氨基酸串聯起來，在一天結束時，你可以得到你想要的蛋白。這極其具有挑戰性的，這是因為如果每一步的化學反應都沒有接近100%，你將得不到任何想要的材料。”
為了提高他們的成功率並找到每個反應的最佳配方，這些研究人員在許多不同的條件下進行了氨基酸特異性偶聯反應。他們説，在這項新的研究中，他們他們制定了一個通用的方案，使得每個反應的平均效率大於99%，這就確保當如此多的氨基酸被連接在一起形成較大的蛋白時，效果顯著。
Hartrampf説，“如果你想製造蛋白，這額外的1%真的會產生很大的不同，這是因為副產物會積累，你需要提高每一個氨基酸的整合成功率。”
利用這種方法，這些研究人員能夠合成一種含有164個氨基酸的蛋白--轉肽酶A（sortase A），它是一種細菌蛋白。他們還製造出具有86個氨基酸的胰島素前體--胰島素原（proinsulin）、具有129個氨基酸的溶菌酶，以及其他一些蛋白。所製造出的蛋白必須經過純化，然後摺疊成正確的形狀，這使整個合成過程多了幾個小時。所有純化的合成蛋白都是以毫克級的數量獲得的，佔整個產量的1%到5%。
藥物化學
這些研究人員還測試了他們製造出的五種合成蛋白的生物學功能，發現它們與有機體天然表達的蛋白版本的功能相當。他們表示，能夠快速產生任何所需的蛋白序列應當能夠更快地進行藥物開發和測試。這種新技術還允許將活細胞DNA編碼的20個氨基酸以外的氨基酸整合到蛋白中，從而極大地擴展了可能製造出的潛在蛋白藥物的結構和功能多樣性。
Nielsen説，“這是在為蛋白藥物化學的新領域鋪平道路。這種技術真正補充了現有的製藥行業，為快速發現基於肽和蛋白的生物製劑提供了新的機會。”
這些研究人員如今正致力於進一步改進這種技術，使得它能夠合成長達300個氨基酸的蛋白鏈。他們還在努力實現整個製造過程的自動化，這樣一旦合成好蛋白，切割、純化和摺疊等步驟也會發生，不需要任何人工干預。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1.Nina Hartrampf et al. Synthesis of proteins by automated flow chemistry. Science, 2020,
doi:10.1126/science.abb2491.
2.Caroline Proulx. Catching up to nature's ribosomes. Science, 2020,
doi:10.1126/science.abb9711.
3.New technology enables fast protein synthesis
https://phys.org/news/2020-05-technology-enables-fast-protein-synthesis.html