許多蛋白質(zhì)可用作治療糖尿病，癌癥和關(guān)節(jié)炎等疾病的藥物。合成這些蛋白質(zhì)的人工版本是一個(gè)耗時(shí)的過程，需要對(duì)微生物或其他細(xì)胞進(jìn)行基因工程以產(chǎn)生所需的蛋白質(zhì)。

麻省理工學(xué)院的化學(xué)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種協(xié)議，可以大大減少生成合成蛋白所需的時(shí)間。他們的臺(tái)式自動(dòng)流合成機(jī)可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)將數(shù)百種氨基酸(蛋白質(zhì)的組成部分)串在一起。研究人員認(rèn)為，他們的新技術(shù)可以加快按需療法的生產(chǎn)和新藥的開發(fā)，并使科學(xué)家能夠通過摻入細(xì)胞中不存在的氨基酸來設(shè)計(jì)人工蛋白質(zhì)。

麻省理工學(xué)院化學(xué)副教授布拉德·彭特洛特(Brad Pentelute)說：“您可以設(shè)計(jì)出具有卓越生物學(xué)功能的新變體，方法是使用非天然氨基酸或?qū)ｉT的修飾來實(shí)現(xiàn)，而這些修飾是您使用自然界的儀器制造蛋白質(zhì)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)的。”研究的資深作者。

在《科學(xué)》雜志上今天發(fā)表的一篇論文中，研究人員表明，它們可以化學(xué)產(chǎn)生多條最長(zhǎng)不超過164個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)鏈，包括酶和生長(zhǎng)因子。對(duì)于這些合成蛋白中的少數(shù)幾個(gè)，他們進(jìn)行了詳細(xì)的分析，表明其功能與天然存在的同類蛋白相當(dāng)。

該論文的主要作者是前麻省理工學(xué)院的博士后Nina Hartrampf，他現(xiàn)在是蘇黎世大學(xué)的助理教授，麻省理工學(xué)院的研究生Azin Saebi和前麻省理工學(xué)院的技術(shù)助理Mackenzie Poskus。

快速生產(chǎn)

人體中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)蛋白質(zhì)最長(zhǎng)可達(dá)400個(gè)氨基酸。合成大量這些蛋白質(zhì)需要將所需蛋白質(zhì)的基因傳遞到充當(dāng)活工廠的細(xì)胞中。此過程用于對(duì)細(xì)菌或酵母細(xì)胞進(jìn)行編程，以產(chǎn)生胰島素和其他藥物，例如生長(zhǎng)激素。

“這是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，” Novo Nordisk研究化學(xué)負(fù)責(zé)人托馬斯·尼爾森(Thomas Nielsen)說，他也是該研究的作者。“首先，您需要可用的基因，并且您需要了解有關(guān)該生物的細(xì)胞生物學(xué)的知識(shí)，以便您可以設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的表達(dá)。”

蛋白質(zhì)生產(chǎn)的另一種方法是由布魯斯·梅里菲爾德(Bruce Merrifield)于1960年代首次提出的，他的固相肽合成研究后來獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，該方法是逐步將氨基酸化學(xué)串在一起。它有20個(gè)氨基酸的活細(xì)胞用于構(gòu)建蛋白質(zhì)，并使用由梅里菲爾德開創(chuàng)的技術(shù)，它需要約一小時(shí)以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以氨基添加一個(gè)所需酸的肽鏈。

近年來，Pentelute的實(shí)驗(yàn)室基于一種稱為流化學(xué)的技術(shù)，發(fā)明了一種執(zhí)行這些反應(yīng)的更快速的方法。在他們的機(jī)器中，使用機(jī)械泵和閥門將化學(xué)品混合，并且在整個(gè)合成的每個(gè)步驟中，它們都循環(huán)通過一個(gè)裝有樹脂床的加熱反應(yīng)器。在優(yōu)化的方案中，形成每個(gè)肽鍵平均需要2.5分鐘，最長(zhǎng)25個(gè)氨基酸長(zhǎng)的肽可以在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)完成組裝。

隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)幾種蛋白質(zhì)藥物的諾和諾德(Novo Nordisk)對(duì)與Pentelute的實(shí)驗(yàn)室合作以合成更長(zhǎng)的肽和蛋白質(zhì)感興趣。為此，研究人員需要提高在鏈中氨基酸之間形成肽鍵的反應(yīng)效率。對(duì)于每個(gè)反應(yīng)，他們以前的效率在95%到98%之間，但是對(duì)于更長(zhǎng)的蛋白質(zhì)，他們需要它在99%以上。

彭特洛特說：“基本原理是，如果我們真的很擅長(zhǎng)制造肽，我們可以將技術(shù)擴(kuò)展到制造蛋白質(zhì)。”“我們的想法是擁有一臺(tái)機(jī)器，用戶可以走到機(jī)器上并輸入蛋白質(zhì)序列，然后以有效的方式將這些氨基酸串在一起，最終，您可以得到想要的蛋白質(zhì)“這是非常具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槿绻恳徊降幕瘜W(xué)反應(yīng)都不接近100%，您將不會(huì)得到任何所需的材料。”

為了提高成功率并找到每種反應(yīng)的最佳方法，研究人員在許多不同條件下進(jìn)行了氨基酸特異性偶聯(lián)反應(yīng)。研究人員說，在這項(xiàng)研究中，他們組裝了一個(gè)通用方案，每個(gè)反應(yīng)的平均效率均高于99%，這在將許多氨基酸連接形成大蛋白時(shí)產(chǎn)生了顯著差異。

Hartrampf說：“如果您要制造蛋白質(zhì)，那么這額外的1%確實(shí)可以發(fā)揮作用，因?yàn)楦碑a(chǎn)物會(huì)累積，并且每個(gè)摻入的氨基酸都需要很高的成功率。”

使用這種方法，研究人員能夠合成一種包含164個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)-細(xì)菌蛋白質(zhì)SortaseA。他們還生產(chǎn)了胰島素原，一種具有86個(gè)氨基酸的胰島素前體以及一種名為溶菌酶的酶(其具有129個(gè)氨基酸)以及一些其他蛋白質(zhì)。所需的蛋白質(zhì)必須先純化，然后折疊成正確的形狀，這會(huì)增加整個(gè)合成過程的幾個(gè)小時(shí)。所有純化的合成蛋白都以毫克量獲得，占總產(chǎn)量的1-5%。

藥物化學(xué)

研究人員還測(cè)試了其五個(gè)合成蛋白的生物學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)它們與生物學(xué)表達(dá)的變體具有可比性。

研究人員說，快速產(chǎn)生任何所需蛋白質(zhì)序列的能力應(yīng)能加快藥物開發(fā)和測(cè)試的速度。這項(xiàng)新技術(shù)還允許將活細(xì)胞DNA編碼的20種氨基酸以外的氨基酸摻入蛋白質(zhì)中，從而大大擴(kuò)展了可能產(chǎn)生的潛在蛋白質(zhì)藥物的結(jié)構(gòu)和功能多樣性。

尼爾森說：“這為蛋白質(zhì)藥物化學(xué)的新領(lǐng)域鋪平了道路。”“這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)補(bǔ)充了制藥業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)，為迅速發(fā)現(xiàn)基于肽和蛋白質(zhì)的生物制藥提供了新的機(jī)會(huì)。”

研究人員正在致力于進(jìn)一步改進(jìn)該技術(shù)，以使其能夠組裝長(zhǎng)達(dá)300個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)鏈。他們還致力于使整個(gè)制造過程自動(dòng)化，以便一旦合成蛋白質(zhì)，就無需任何人工干預(yù)即可進(jìn)行切割，純化和折疊步驟。