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新技术使蛋白质快速合成成为可能

自动化的桌面机器可以加速治疗癌症和其他疾病的新药物的开发。

许多蛋白质可用作治疗糖尿病、癌症和关节炎等疾病的药物。合成这些蛋白质的人工版本是一个耗时的过程,需要通过基因工程改造微生物或其他细胞来生产所需的蛋白质。

麻省理工学院的化学家们已经设计出一套方案来大幅减少合成蛋白质所需的时间。他们的桌上型自动流动合成机可以在数小时内将数百种氨基酸串在一起,而氨基酸正是蛋白质的组成部分。研究人员认为,他们的新技术可以加速按需治疗的生产和新药的开发,并允许科学家通过加入细胞中不存在的氨基酸来设计人工蛋白质。

麻省理工学院(MIT)的化学副教授、该研究的资深作者布拉德•彭特吕特(Brad Pentelute)表示:“你可以设计出具有优越生物功能的新变体,通过使用非天然氨基酸或特殊修饰来实现,这在使用天然设备制造蛋白质时是不可能的。”

在今天发表在《科学》杂志上的一篇论文中,研究人员表明,他们可以用化学方法产生几种长度可达164个氨基酸的蛋白质链,包括酶和生长因子。对于这些合成的蛋白质,他们进行了详细的分析,表明它们的功能与自然产生的同类蛋白质相当。

这篇论文的主要作者是前麻省理工学院博士后Nina Hartrampf,她现在是苏黎世大学的助理教授,麻省理工学院研究生Azin Saebi和前麻省理工学院技术助理Mackenzie Poskus。

快速的生产

在人体中发现的大多数蛋白质都含有长达400个氨基酸。合成大量这样的蛋白质需要将所需蛋白质的基因导入细胞,使细胞成为活的工厂。这一过程被用于对细菌或酵母细胞进行编程,使其产生胰岛素和其他药物,如生长激素。

“这是一个耗时的过程,”该研究的作者之一、诺和诺德公司(Novo Nordisk)化学研究主管托马斯•尼尔森(Thomas Nielsen)表示。“首先,你需要有可用的基因,你需要了解有机体的细胞生物学,这样你就可以设计你的蛋白质的表达。”

20世纪60年代,布鲁斯•梅里菲尔德(Bruce Merrifield)首次提出了另一种蛋白质生产方法,用化学方法逐步将氨基酸串在一起。活细胞用来制造蛋白质的氨基酸有20种,使用Merrifield首创的技术,大约需要一个小时来进行化学反应,将一个氨基酸添加到肽链上。

近年来,Pentelute的实验室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。在他们的机器里,化学物质通过机械泵和阀门进行混合,在整个合成过程的每一步,化学物质都要经过一个含有树脂床的加热反应器进行循环。在优化的方案中,形成每个肽键平均需要2.5分钟,而最长可达25个氨基酸的肽段可以在不到一小时内组装完成。

随着这项技术的发展,诺和诺德公司(Novo Nordisk)对与Pentelute的实验室合作合成更长的肽段和蛋白质产生了兴趣。诺和诺德公司生产多种蛋白质药物。为了达到这个目的,研究人员需要提高在氨基酸链中形成肽键的反应的效率。对于每个反应,它们之前的效率在95%到98%之间,但是对于更长的蛋白质,它们需要超过99%。

“基本原理是,如果我们真的擅长制造多肽,我们可以扩展技术来制造蛋白质,”Pentelute说。“我们的想法是有一个机器,用户可以走到它面前,输入一个蛋白质序列,它会以一种高效的方式把这些氨基酸串在一起,在一天结束的时候,你就可以得到你想要的蛋白质。”这是非常具有挑战性的,因为如果每一步的化学成分都不接近100%,你就不会得到任何想要的材料。”

为了提高它们的成功率,并找到每个反应的最佳配方,研究人员在许多不同条件下进行了氨基酸特异性偶联反应。研究人员说,在这项研究中,他们组装了一套通用方案,每个反应的平均效率都超过99%,当如此多的氨基酸被连接在一起形成大分子蛋白质时,这就产生了显著的差异。

Hartrampf说:“如果你想制造蛋白质,这额外的1%真的会带来很大的不同,因为副产品会累积,你需要每一个氨基酸都有很高的成功率。”

通过这种方法,研究人员能够合成一种包含164个氨基酸的蛋白质——一种细菌蛋白质——Sortase a。他们还生产了胰岛素原体,一种含有86种氨基酸的胰岛素前体,一种叫做溶菌酶的酶,含有129种氨基酸,以及一些其他的蛋白质。所需要的蛋白质必须被纯化,然后折叠成正确的形状,这增加了几个小时的整体合成过程。所有纯化合成的蛋白质都以毫克的量获得,占总产量的1%到5%。

药物化学

研究人员还测试了他们合成的五种蛋白质的生物功能,发现它们的功能与生物表达的变体相当。

研究人员说,快速生成任何所需的蛋白质序列的能力应该能够加快药物的开发和测试。这项新技术还可以将活细胞DNA编码的20种氨基酸以外的氨基酸整合到蛋白质中,极大地扩展了潜在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,”尼尔森说。“这项技术确实是对制药行业现有技术的补充,为快速发现基于肽和蛋白的生物制药提供了新的机会。”

研究人员目前正致力于进一步改进这项技术,使其能够装配长达300个氨基酸的蛋白质链。他们还致力于自动化整个生产过程,这样一旦蛋白质合成,切割、纯化和折叠步骤也可以在不需要任何人工干预的情况下进行。

Pentelute是Amide Technologies公司的联合创始人,该公司已将肽合成技术的某些方面授权给可能的商业开发。这项研究是由诺和诺德公司资助的,诺和诺德公司是美国国家科学基金会研究生奖学金和麻省理工学院的科学系主任奖学金。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/faster-protein-synthesis-0528