新技术可实现快速蛋白质合成

许多蛋白质可用作治疗糖尿病,癌症和关节炎等疾病的药物。合成这些蛋白质的人工版本是一个耗时的过程,需要对微生物或其他细胞进行基因工程以产生所需的蛋白质。

麻省理工学院的化学家已经设计出一种协议,可以大大减少生成合成蛋白所需的时间。他们的台式自动流合成机可以在数小时内将数百种氨基酸(蛋白质的组成部分)串在一起。研究人员认为,他们的新技术可以加快按需疗法的生产和新药的开发,并使科学家能够通过掺入细胞中不存在的氨基酸来设计人工蛋白质。

麻省理工学院化学副教授布拉德·彭特洛特(Brad Pentelute)说:“您可以设计出具有卓越生物学功能的新变体,方法是使用非天然氨基酸或专门的修饰来实现,而这些修饰是您使用自然界的仪器制造蛋白质时无法实现的。”研究的资深作者。

在《科学》杂志上今天发表的一篇论文中,研究人员表明,它们可以化学产生多条最长不超过164个氨基酸的蛋白质链,包括酶和生长因子。对于这些合成蛋白中的少数几个,他们进行了详细的分析,表明其功能与天然存在的同类蛋白相当。

该论文的主要作者是前麻省理工学院的博士后Nina Hartrampf,他现在是苏黎世大学的助理教授,麻省理工学院的研究生Azin Saebi和前麻省理工学院的技术助理Mackenzie Poskus。

快速生产

人体中发现的大多数蛋白质最长可达400个氨基酸。合成大量这些蛋白质需要将所需蛋白质的基因传递到充当活工厂的细胞中。此过程用于对细菌或酵母细胞进行编程,以产生胰岛素和其他药物,例如生长激素。

“这是一个非常耗时的过程,” Novo Nordisk研究化学负责人托马斯·尼尔森(Thomas Nielsen)说,他也是该研究的作者。“首先,您需要可用的基因,并且您需要了解有关该生物的细胞生物学的知识,以便您可以设计蛋白质的表达。”

蛋白质生产的另一种方法是由布鲁斯·梅里菲尔德(Bruce Merrifield)于1960年代首次提出的,他的固相肽合成研究后来获得了诺贝尔化学奖,该方法是逐步将氨基酸化学串在一起。它有20个氨基酸的活细胞用于构建蛋白质,并使用由梅里菲尔德开创的技术,它需要约一小时以进行化学反应,以氨基添加一个所需酸的肽链。

近年来,Pentelute的实验室基于一种称为流化学的技术,发明了一种执行这些反应的更快速的方法。在他们的机器中,使用机械泵和阀门将化学品混合,并且在整个合成的每个步骤中,它们都循环通过一个装有树脂床的加热反应器。在优化的方案中,形成每个肽键平均需要2.5分钟,最长25个氨基酸长的肽可以在不到一个小时的时间内完成组装。

随着这项技术的发展,生产几种蛋白质药物的诺和诺德(Novo Nordisk)对与Pentelute的实验室合作以合成更长的肽和蛋白质感兴趣。为此,研究人员需要提高在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%到98%之间,但是对于更长的蛋白质,他们需要它在99%以上。

彭特洛特说:“基本原理是,如果我们真的很擅长制造肽,我们可以将技术扩展到制造蛋白质。”“我们的想法是拥有一台机器,用户可以走到机器上并输入蛋白质序列,然后以有效的方式将这些氨基酸串在一起,最终,您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%,您将不会得到任何所需的材料。”

为了提高成功率并找到每种反应的最佳方法,研究人员在许多不同条件下进行了氨基酸特异性偶联反应。研究人员说,在这项研究中,他们组装了一个通用方案,每个反应的平均效率均高于99%,这在将许多氨基酸连接形成大蛋白时产生了显着差异。

Hartrampf说:“如果您要制造蛋白质,那么这额外的1%确实可以发挥作用,因为副产物会累积,并且每个掺入的氨基酸都需要很高的成功率。”

使用这种方法,研究人员能够合成一种包含164个氨基酸的蛋白质-细菌蛋白质SortaseA。他们还生产了胰岛素原,一种具有86个氨基酸的胰岛素前体以及一种名为溶菌酶的酶(其具有129个氨基酸)以及一些其他蛋白质。所需的蛋白质必须先纯化,然后折叠成正确的形状,这会增加整个合成过程的几个小时。所有纯化的合成蛋白都以毫克量获得,占总产量的1-5%。

药物化学

研究人员还测试了其五个合成蛋白的生物学功能,发现它们与生物学表达的变体具有可比性。

研究人员说,快速产生任何所需蛋白质序列的能力应能加快药物开发和测试的速度。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掺入蛋白质中,从而大大扩展了可能产生的潜在蛋白质药物的结构和功能多样性。

尼尔森说:“这为蛋白质药物化学的新领域铺平了道路。”“这项技术确实补充了制药业的现有技术,为迅速发现基于肽和蛋白质的生物制药提供了新的机会。”

研究人员正在致力于进一步改进该技术,以使其能够组装长达300个氨基酸的蛋白质链。他们还致力于使整个制造过程自动化,以便一旦合成蛋白质,就无需任何人工干预即可进行切割,纯化和折叠步骤。

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