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无细胞合成生物技术——革新生物医药产业的新兴策略

来源:生物制药小编 卢元(清华大学特别研究员,博士生导师) 2017-07-27 18:54

基因编辑和测序技术的进步,使得合成生物学家可快速可靠地设计改造生物体系,大大推动了医药健康领域的发展。而在过去多年合成生物学的发展中,特别是在生物医药领域,主要还是以细胞为宿主进行工程化设计。但是对细胞进行工程化是费时和困难的。主要原因在于细胞的生长及适应性过程通常与工程设计目标是不一致的。并且由于活细胞生命系统的复杂性、基因元件难以标准化、细胞膜的阻碍等,其大大限制了生物组件的改造。为克服这些问题,一项新的合成生物学手段正在兴起:无细胞合成生物学 (Cell-free synthetic biology) 。

为什么要做无细胞合成?一句话:做细胞难做的事

什么是无细胞合成生物学?简单地讲,就是利用细胞资源,在体外开放体系实现基因转录、蛋白质翻译和代谢过程。无细胞合成系统建立的基本流程是:首先从细胞中提取蛋白质合成所必需的催化成分;然后补充添加氨基酸、能量底物、DNA模板等来启动基因转录和蛋白质翻译的持续进行。由于它的开放性和可控性,给生物合成操作提供了极大的工程自由度和可控度,包括:1) 避免了细胞生长和目标产物合成对资源的竞争,提高目标产品的最大化合成效率;2) 因无细胞生长问题,可高量合成对细胞有毒性的生物产品;3) 更易直接控制基因转录及蛋白质的翻译、折叠和组装;4) 因无细胞膜的阻碍,可将非天然元件或材料轻易嵌入生物分子或体系。这些特性特别适用于高附加值的生物医药产品的设计和合成。

膜蛋白合成是无细胞合成系统的主要应用领域之一。膜蛋白占所有潜在药物靶标的四分之三,然而由于其复杂的结构在细胞内进行过量表达时,会存在构象折叠等问题,容易形成包涵体。在无细胞体系中可直接控制膜蛋白的合成和折叠,通过直接添加分子伴侣、表面活性剂或脂质体,防止膜蛋白多肽的聚集,辅助结构折叠且完整性;通过直接调节氧化还原环境,以形成正确的二硫键。因而,无细胞合成已成为膜蛋白合成非常有效技术手段。另外,因为不涉及细胞生长和易控制蛋白构象折叠的优势,无细胞合成体系特别适用于高量表达对细胞有毒性蛋白和复合蛋白的合成。

无细胞体系蛋白质合成目前另一大关注点是非天然氨基酸的嵌入。通过将带有丰富侧链的非天然氨基酸在蛋白质中的嵌入及后修饰,为新型结构和功能的蛋白质的应用科学研究拓展给予了新的契机。目前常用的嵌入手段是在细胞体系,采取全局抑制 (global suppression) 、正交翻译体系 (orthogonal translation system) 等策略。而在细胞体系中,很多因素限制了非天然氨基酸的高效嵌入,使得在产业化方面发展不甚理想,主要问题包括:
复杂代谢造成低的嵌入效率;

大基团非天然氨基酸因为低的细胞膜渗透性,无法进入细胞内部;

高浓度非天然翻译元件引起细胞毒性等。

而面对这些问题,利用无细胞合成体系的优势,包括:
无复杂代谢只专注于目标产品合成;

无细胞膜;

高细胞毒性忍耐性等,可以更容易克服细胞体系存在的问题。

因此,通过无细胞体系将非天然氨基酸嵌入蛋白质的技术手段,越来越多受到产业界的关注。



对于无细胞合成生物技术在生物医药产业领域的发展,最具代表性的企业是美国一家叫做Sutro Biopharma的公司 (http://www.sutrobio.com) 。该公司成立于2004年,目前发展的主要着眼点在于抗体-药物偶联 (ADC) 药物上。ADC药物的技术关键点在于偶联连接物上。不同于其他公司,Sutro Biopharma所采取的技术手段是利用无细胞合成技术将带有反应基团的非天然氨基酸嵌入抗体,然后与药物进行偶联。该技术手段一方面解决了通过天然氨基酸侧链基团反应造成的异质反应产物问题;另一方面解决了细胞体系非天然氨基酸嵌入的低效率难以实现产业化的问题。因为技术的有效性,该公司近年来已获得多亿美元的投资,被专业媒体评为最有前途的十五大生物技术公司之一。

个人基本简介:卢元 2004年本科毕业于清华大学;随后通过免试推荐继续在清华大学攻读博士学位。2009年博士毕业后前往美国约翰霍普金斯大学和美国斯坦福大学从事博士后研究工作;之后被日本东京大学聘为特任研究员。2016年卢元入职清华大学化学工程系,任特别研究员、博士生导师。
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