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)的人工版本是一個耗時的過程，需要對微生物或其他細胞進行基因工程以產(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)計出一種協(xié)議，可以大大減少生成合成蛋白所需的時間。他們的臺式自動流合成機可以在數(shù)小時內(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)家能夠通過摻入細胞中不存在的氨基酸來設(shè)計人工蛋白質(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的修飾來實現(xiàn)，而這些修飾是您使用自然界的儀器制造蛋白質(zhì)時無法實現(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)生多條最長不超過164個氨基酸的蛋白質(zhì)鏈，包括酶和生長因子。對于這些合成蛋白中的少數(shù)幾個，他們進行了詳細的分析，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)最長可達400個氨基酸。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)活工廠的細胞中。此過程用于對細菌或酵母細胞進行編程，以產(chǎn)生胰島素和其他藥物，例如生長激素。

“這是一個非常耗時的過程，” Novo Nordisk研究化學(xué)負責(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)該生物的細胞生物學(xué)的知識，以便您可以設(shè)計蛋白質(zhì)的表達。”

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，該方法是逐步將氨基酸化學(xué)串在一起。它有20個氨基酸的活細胞用于構(gòu)建蛋白質(zhì)，并使用由梅里菲爾德開創(chuàng)的技術(shù)，它需要約一小時以進行化學(xué)反應(yīng)，以氨基添加一個所需酸的肽鏈。

近年來，Pentelute的實驗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。在他們的機器中，使用機械泵和閥門將化學(xué)品混合，并且在整個合成的每個步驟中，它們都循環(huán)通過一個裝有樹脂床的加熱反應(yīng)器。在優(yōu)化的方案中，形成每個肽鍵平均需要2.5分鐘，最長25個氨基酸長的肽可以在不到一個小時的時間內(nèi)完成組裝。

隨著這項技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)幾種蛋白質(zhì)藥物的諾和諾德(Novo Nordisk)對與Pentelute的實驗室合作以合成更長的肽和蛋白質(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。對于每個反應(yīng)，他們以前的效率在95%到98%之間，但是對于更長的蛋白質(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制造肽，我們可以將技術(shù)擴展到制造蛋白質(zhì)。”“我們的想法是擁有一臺機器，用戶可以走到機器上并輸入蛋白質(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，因為如果每一步的化學(xué)反應(yīng)都不接近100%，您將不會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行了氨基酸特異性偶聯(lián)反應(yīng)。研究人員說，在這項研究中，他們組裝了一個通用方案，每個反應(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%確實可以發(fā)揮作用，因為副產(chǎn)物會累積，并且每個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個氨基酸的蛋白質(zhì)-細菌蛋白質(zhì)SortaseA。他們還生產(chǎn)了胰島素原，一種具有86個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，這會增加整個合成過程的幾個小時。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)

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

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)和測試的速度。這項新技術(shù)還允許將活細胞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。”“這項技術(shù)確實補充了制藥業(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會。”

研究人員正在致力于進一步改進該技術(shù)，以使其能夠組裝長達300個氨基酸的蛋白質(zhì)鏈。他們還致力于使整個制造過程自動化，以便一旦合成蛋白質(zhì)，就無需任何人工干預(yù)即可進行切割，純化和折疊步驟。