Science：重大进展！体外蛋白合成新技术可媲美细胞中的天然核糖体
来源：本站原创 2020-06-08 21:59
2020年6月8日讯/生物谷BIOON/---许多蛋白作为治疗糖尿病、癌症和关节炎等疾病的药物是有用的。合成这些蛋白的人工版本是一个耗时的过程，需要通过对微生物或其他细胞进行基因改造来产生所需的蛋白。在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员开发出一种新技术，可以大幅降低产生合成蛋白所需的时间。他们的台式自动流动合成机（flow synthesis m
2020年6月8日讯/生物谷BIOON/---许多蛋白作为治疗糖尿病、癌症和关节炎等疾病的药物是有用的。合成这些蛋白的人工版本是一个耗时的过程，需要通过对微生物或其他细胞进行基因改造来产生所需的蛋白。
在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员开发出一种新技术，可以大幅降低产生合成蛋白所需的时间。他们的台式自动流动合成机（flow synthesis machine）可以在几小时内将数百个氨基酸连接在一起。他们认为，他们的新技术可能加快按需药物的制造和新药的开发，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。相关研究结果发表在2020年5月29日的Science期刊上，论文标题为“Synthesis of proteins by automated flow chemistry”。
论文通讯作者、麻省理工学院化学副教授Brad Pentelute说，“你可以设计出具有卓越生物功能的新蛋白变体，这一点可通过使用非天然氨基酸或特定的修饰来实现，当你使用自然界的分子仪器制造蛋白时，这是不可能实现的。”
在这篇论文中，这些研究人员表明，他们可以用化学方法制造出多个长达164个氨基酸的蛋白链，包括酶和生长因子。对于这几种合成蛋白，他们进行了详细的分析，显示它们的功能与天然的蛋白对应物相当。
快速生产
在人体中发现的大多数蛋白长达400个氨基酸。合成大量的这些蛋白需要将所需蛋白的基因递送到作为活工厂的细胞中。这个过程用于对细菌或酵母细胞进行基因改造，以产生胰岛素和其他药物，如生长激素。
论文共同作者Thomas Nielsen说，“这是一个耗时的过程。首先你需要可用的基因，你需要了解一些关于有机体细胞生物学的知识，这样你就可以进行基因改造使得你所需的蛋白表达。”
蛋白产生的另一种方法，最早是由Bruce Merrifield在20世纪60年代提出的，他后来因在固相肽合成方面的工作而获得了诺贝尔化学奖。这种方法是通过化学方法逐步地将氨基酸连接在一起。活细胞用来构建蛋白的氨基酸有20种，而利用Merrifield开创的技术，大约需要一个小时的时间，就能完成将一个氨基酸添加到肽链上所需的化学反应。
近年来，Pentelute实验室发明了一种更快速的方法来执行这些反应，这种方法基于一种称为流动化学（flow chemistry）的技术。在他们的机器中，化学物通过机械泵和阀门进行混合，在整个合成过程的每一步，化学物都会经过一个包含树脂床的加热反应器循环。在这种新研究中优化的方案中，形成每个肽键平均需要2.5分钟，而长达25个氨基酸的肽可以在不到一个小时的时间内组装完成。
在这项技术开发出来之后，制造出多种蛋白药物的诺和诺德公司开始有兴趣与Pentelute实验室合作，旨在合成更长的肽和蛋白。为了实现这一目标，这些研究人员需要提高肽链中氨基酸之间形成肽键的反应效率。对于每个化学反应，他们之前的效率在95%到98%之间，但对于更长的蛋白，这一数字需要超过99%。
Pentelute说，“我们的理由是，如果我们真地很擅长制造肽，我们可以将这种技术扩展到制造蛋白。我们的想法是要有一台机器，用户可以走到它面前并输入蛋白质序列，它将以一种高效的方式将所需的氨基酸串联起来，在一天结束时，你可以得到你想要的蛋白。这极其具有挑战性的，这是因为如果每一步的化学反应都没有接近100%，你将得不到任何想要的材料。”
为了提高他们的成功率并找到每个反应的最佳配方，这些研究人员在许多不同的条件下进行了氨基酸特异性偶联反应。他们说，在这项新的研究中，他们他们制定了一个通用的方案，使得每个反应的平均效率大于99%，这就确保当如此多的氨基酸被连接在一起形成较大的蛋白时，效果显著。
Hartrampf说，“如果你想制造蛋白，这额外的1%真的会产生很大的不同，这是因为副产物会积累，你需要提高每一个氨基酸的整合成功率。”
利用这种方法，这些研究人员能够合成一种含有164个氨基酸的蛋白--转肽酶A（sortase A），它是一种细菌蛋白。他们还制造出具有86个氨基酸的胰岛素前体--胰岛素原（proinsulin）、具有129个氨基酸的溶菌酶，以及其他一些蛋白。所制造出的蛋白必须经过纯化，然后折叠成正确的形状，这使整个合成过程多了几个小时。所有纯化的合成蛋白都是以毫克级的数量获得的，占整个产量的1%到5%。
药物化学
这些研究人员还测试了他们制造出的五种合成蛋白的生物学功能，发现它们与有机体天然表达的蛋白版本的功能相当。他们表示，能够快速产生任何所需的蛋白序列应当能够更快地进行药物开发和测试。这种新技术还允许将活细胞DNA编码的20个氨基酸以外的氨基酸整合到蛋白中，从而极大地扩展了可能制造出的潜在蛋白药物的结构和功能多样性。
Nielsen说，“这是在为蛋白药物化学的新领域铺平道路。这种技术真正补充了现有的制药行业，为快速发现基于肽和蛋白的生物制剂提供了新的机会。”
这些研究人员如今正致力于进一步改进这种技术，使得它能够合成长达300个氨基酸的蛋白链。他们还在努力实现整个制造过程的自动化，这样一旦合成好蛋白，切割、纯化和折叠等步骤也会发生，不需要任何人工干预。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
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
在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院的研究人员开发出一种新技术，可以大幅降低产生合成蛋白所需的时间。他们的台式自动流动合成机（flow synthesis machine）可以在几小时内将数百个氨基酸连接在一起。他们认为，他们的新技术可能加快按需药物的制造和新药的开发，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。相关研究结果发表在2020年5月29日的Science期刊上，论文标题为“Synthesis of proteins by automated flow chemistry”。
来自麻省理工学院的研究人员开发出一种新的技术，可快速合成长达164个氨基酸的蛋白链。这种基于流动化学的技术可能加速药物开发并使得科学家们能够设计含有细胞中非天然存在的氨基酸的蛋白变体。如图所示，这台台式自动流动合成机被这个研究团队称为“Amidator”。图片来自MIT。
论文通讯作者、麻省理工学院化学副教授Brad Pentelute说，“你可以设计出具有卓越生物功能的新蛋白变体，这一点可通过使用非天然氨基酸或特定的修饰来实现，当你使用自然界的分子仪器制造蛋白时，这是不可能实现的。”
在这篇论文中，这些研究人员表明，他们可以用化学方法制造出多个长达164个氨基酸的蛋白链，包括酶和生长因子。对于这几种合成蛋白，他们进行了详细的分析，显示它们的功能与天然的蛋白对应物相当。
快速生产
在人体中发现的大多数蛋白长达400个氨基酸。合成大量的这些蛋白需要将所需蛋白的基因递送到作为活工厂的细胞中。这个过程用于对细菌或酵母细胞进行基因改造，以产生胰岛素和其他药物，如生长激素。
论文共同作者Thomas Nielsen说，“这是一个耗时的过程。首先你需要可用的基因，你需要了解一些关于有机体细胞生物学的知识，这样你就可以进行基因改造使得你所需的蛋白表达。”
蛋白产生的另一种方法，最早是由Bruce Merrifield在20世纪60年代提出的，他后来因在固相肽合成方面的工作而获得了诺贝尔化学奖。这种方法是通过化学方法逐步地将氨基酸连接在一起。活细胞用来构建蛋白的氨基酸有20种，而利用Merrifield开创的技术，大约需要一个小时的时间，就能完成将一个氨基酸添加到肽链上所需的化学反应。
近年来，Pentelute实验室发明了一种更快速的方法来执行这些反应，这种方法基于一种称为流动化学（flow chemistry）的技术。在他们的机器中，化学物通过机械泵和阀门进行混合，在整个合成过程的每一步，化学物都会经过一个包含树脂床的加热反应器循环。在这种新研究中优化的方案中，形成每个肽键平均需要2.5分钟，而长达25个氨基酸的肽可以在不到一个小时的时间内组装完成。
在这项技术开发出来之后，制造出多种蛋白药物的诺和诺德公司开始有兴趣与Pentelute实验室合作，旨在合成更长的肽和蛋白。为了实现这一目标，这些研究人员需要提高肽链中氨基酸之间形成肽键的反应效率。对于每个化学反应，他们之前的效率在95%到98%之间，但对于更长的蛋白，这一数字需要超过99%。
Pentelute说，“我们的理由是，如果我们真地很擅长制造肽，我们可以将这种技术扩展到制造蛋白。我们的想法是要有一台机器，用户可以走到它面前并输入蛋白质序列，它将以一种高效的方式将所需的氨基酸串联起来，在一天结束时，你可以得到你想要的蛋白。这极其具有挑战性的，这是因为如果每一步的化学反应都没有接近100%，你将得不到任何想要的材料。”
为了提高他们的成功率并找到每个反应的最佳配方，这些研究人员在许多不同的条件下进行了氨基酸特异性偶联反应。他们说，在这项新的研究中，他们他们制定了一个通用的方案，使得每个反应的平均效率大于99%，这就确保当如此多的氨基酸被连接在一起形成较大的蛋白时，效果显著。
Hartrampf说，“如果你想制造蛋白，这额外的1%真的会产生很大的不同，这是因为副产物会积累，你需要提高每一个氨基酸的整合成功率。”
利用这种方法，这些研究人员能够合成一种含有164个氨基酸的蛋白--转肽酶A（sortase A），它是一种细菌蛋白。他们还制造出具有86个氨基酸的胰岛素前体--胰岛素原（proinsulin）、具有129个氨基酸的溶菌酶，以及其他一些蛋白。所制造出的蛋白必须经过纯化，然后折叠成正确的形状，这使整个合成过程多了几个小时。所有纯化的合成蛋白都是以毫克级的数量获得的，占整个产量的1%到5%。
药物化学
这些研究人员还测试了他们制造出的五种合成蛋白的生物学功能，发现它们与有机体天然表达的蛋白版本的功能相当。他们表示，能够快速产生任何所需的蛋白序列应当能够更快地进行药物开发和测试。这种新技术还允许将活细胞DNA编码的20个氨基酸以外的氨基酸整合到蛋白中，从而极大地扩展了可能制造出的潜在蛋白药物的结构和功能多样性。
Nielsen说，“这是在为蛋白药物化学的新领域铺平道路。这种技术真正补充了现有的制药行业，为快速发现基于肽和蛋白的生物制剂提供了新的机会。”
这些研究人员如今正致力于进一步改进这种技术，使得它能够合成长达300个氨基酸的蛋白链。他们还在努力实现整个制造过程的自动化，这样一旦合成好蛋白，切割、纯化和折叠等步骤也会发生，不需要任何人工干预。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
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
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