快速合成蛋白质的新技术

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MIT的化学家开发出一种能快速生产长达164个氨基酸蛋白链的流程。这种基于流动的技术（flow-based technology）可以加速药物的研发，并可使科学家设计出新的蛋白质变体，其中包含细胞中非天然存在的氨基酸。研究小组称这台自动的桌面机器（如图所示）为“Amidator”。（图片来源：麻省理工学院）

许多蛋白质被作为药物，用来治疗糖尿病、癌症和关节炎等疾病。人工合成这些蛋白质是一个耗时的过程，并需要基因工程微生物或其他细胞来产生所需的蛋白质。

如今，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的化学家设计出一种流程，能大大减少产生合成蛋白质所需的时间。他们的桌面自动流动合成机可以在几个小时内，将组成蛋白质的数百种氨基酸串在一起。研究人员相信，他们的新技术可以加快“按需疗法”（on-demand therapies）制造业和新药的开发，并可使科学家通过加入细胞中不存在的氨基酸来设计人工蛋白。

MIT化学系副教授、研究的资深作者Brad Pentelute说：“你可以使用非天然氨基酸或在自然器官合成蛋白质时无法进行的特殊修饰，设计出具有优越生物学功能的新变体。”

在《科学》（Science）杂志上发表的一篇论文中，研究人员表明，他们可以通过化学方法产生长达164个氨基酸的蛋白质链，包括酶和生长因子。他们对一小部分合成蛋白进行了详细的分析，显示其功能与对应的天然蛋白质相当。

论文的主要作者分别是前MIT博士后Nina Hartrampf（现苏黎世大学助理教授）、MIT研究生Azin Saebi和前MIT技术助理Mackenzie Poskus。

快速生产

在人体中发现的大多数蛋白质长达400个氨基酸。大量合成这些蛋白质需要将所需蛋白质的基因输送至作为活工厂的细胞中。该过程被用来编程细菌或酵母细胞产生胰岛素和其他药物，如生长激素。

诺和诺德公司（Novo Nordisk）的研究化学主管、这项研究的另一位作者Thomas Nielsen说：“这是一个耗时的过程。首先需要找到相应的基因，并了解生物的细胞生物学过程，这样才能设计蛋白质的表达。”

蛋白质生产的另一种方法是以逐步的方式将氨基酸串联在一起，由Bruce Merrifield在20世纪60年代首次提出。他后来因其在固相肽合成方面的工作而获得诺贝尔化学奖。有20种氨基酸是活细胞用来制造蛋白质的，使用Merrifield首创的技术，大约需要一个小时的时间来完成在肽链中添加一个氨基酸所需的化学反应。

近年来，Pentelute实验室发明出一种更快速的方法来进行这些反应，其基础是一种被称为流动化学（flow chemistry）的技术。在他们的机器中，化学物质使用机械泵和阀门混合。在整个合成的每一步，这些化学物质都通过含有树脂床的加热反应器循环。在优化的流程中，形成每个肽键平均需要2.5分钟，长达25个氨基酸的肽可在不到一个小时内组装完。

随着这项技术的发展，生产出几种蛋白质药物的诺和诺德公司开始对与Pentelute实验室合作，以合成更长的肽和蛋白质感兴趣。为实现这一目标，研究人员需要提高链中氨基酸之间形成肽键的反应效率。对于每个反应，他们以前的效率在95%~98%；但对于较长的蛋白质，他们需要反应效率超过99%。

Pentelute说：“其基本原理是，如果我们在制造多肽方面做得很好，就可以将这项技术拓展到制造蛋白质上。这个想法需要有一台机器，用户可以走过去，输入一串蛋白质序列，然后它就将这些氨基酸串在一起。这样一天结束时，就可以得到想要的蛋白质。这是非常具有挑战性的，因为如果每一步的化学反应都不接近100%，你就不会得到任何想要的材料。”

研究人员表示，为了提高成功率，并找到每个反应的最佳配方，他们在许多不同的条件下进行了氨基酸特异性偶联反应。在这项研究中，他们组装了一个通用的流程，每个反应的平均效率超过99%。当如此多的氨基酸被连接形成大的蛋白质时，这就产生了显著的差异。

Hartrampf说：“如果你想制造蛋白质，那么额外的1%就会产生巨大的差异。因为副产品的积累，每一个加入的氨基酸都需要很高的成功率。

利用这种方法，研究人员能够合成一种含有164种氨基酸的细菌蛋白Sortase A。他们还生产出胰岛素原，一种含有86个氨基酸的胰岛素前体；一种称为溶菌酶的酶，它有129个氨基酸；以及一些其他蛋白质。所需的蛋白质必须被纯化，然后折叠成正确的形状。这使整个合成过程增加了几个小时。所有纯化的合成蛋白均以毫克量级获得，占总产物的1%~5%。

药物化学

研究人员还测试了五种合成蛋白的生物学功能，发现它们与生物表达的变体相当。

研究人员指出，快速产生任何所需蛋白质序列的能力，能够加速开发和测试药物。这项新技术还允许将活细胞DNA编码的20种氨基酸以外的氨基酸加入到蛋白质中，极大地扩展了可能产生的潜在蛋白质药物结构和功能的多样性。

Nielsen说：“这为蛋白质药物化学的新领域铺平了道路。这项技术的确补充了制药业现有的技术，并为快速发现多肽和蛋白质生物药物提供了新的机会。”

研究人员正在进一步改进这项技术，使其能够组装长达300个氨基酸的蛋白链。他们还在致力于实现整个制造过程的自动化，以便蛋白质被合成后，切割、纯化和折叠步骤也会随之发生，不需要任何人工干预。

作者：Sarah McDonnell

翻译：胡舒昶

审校：巢栩嘉

引进来源：麻省理工学院

引进链接：https://phys.org/news/2020-05-technology-enables-fast-protein-synthesis.html

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