蛋白質(zhì)，是組成人體一切細(xì)胞和組織的重要成分，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)在生物制藥領(lǐng)域有著重要的作用，其中許多蛋白質(zhì)可被用于研發(fā)治療糖尿病、癌癥和關(guān)節(jié)炎等疾病的藥物。

但是，人工合成蛋白質(zhì)是一個(gè)十分復(fù)雜、耗時(shí)的過程，在生物學(xué)上，多個(gè)氨基酸通過肽鍵連接形成多肽，多肽經(jīng)過多級折疊后形成蛋白質(zhì)。如何快速合成蛋白質(zhì)？這一問題是近年來科學(xué)家一直試圖解決的問題。

人工縮短氨基酸之間的連接時(shí)間，或許是一個(gè)潛在的有效方法。一項(xiàng)來自麻省理工學(xué)院（MIT）化學(xué)系副教授布拉德利 · 彭特盧特（Bradley Pentelute）團(tuán)隊(duì)的最新研究有望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

據(jù)論文描述，他們可以在幾小時(shí)內(nèi)將數(shù)百種氨基酸連接到一起，加快治療癌癥、糖尿病和其他疾病的藥物以及按需療法的研發(fā)，甚至允許科學(xué)家通過結(jié)合細(xì)胞中不存在的氨基酸來設(shè)計(jì)人工蛋白質(zhì)。相關(guān)研究論文已發(fā)表在《科學(xué)》（science）雜志上。

彭特盧特表示，“通過使用非天然氨基酸或特殊修飾，你可以設(shè)計(jì)出具有優(yōu)越生物學(xué)功能的‘新型’蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在自然界環(huán)境下是不可能合成的?！?/p>

研究人員表示，他們可以通過化學(xué)方法生產(chǎn)多達(dá) 164 個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)鏈，其中包括酶和生長因子。他們詳細(xì)分析了這些人工合成蛋白質(zhì)中的一小部分，事實(shí)證明它們的功能與自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)相當(dāng)。

快速生產(chǎn)

目前，在人體中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)蛋白質(zhì)最長可達(dá) 400 個(gè)氨基酸。合成這些蛋白質(zhì)需要將所需蛋白質(zhì)的基因遞送到充當(dāng)活體工廠的細(xì)胞中。這一過程用于對細(xì)菌或酵母細(xì)胞進(jìn)行編輯，以產(chǎn)生胰島素和其他藥物，比如生長激素。

“這是一個(gè)耗時(shí)的過程。”丹麥制藥企業(yè)諾和諾德（Novo Nordisk）化學(xué)研究主管托馬斯 · 尼爾森（Thomas Nielsen）表示，他也是該論文的作者之一?！笆紫龋阈枰捎玫幕?，并且了解有關(guān)生物體細(xì)胞生物學(xué)的知識，這樣你就可以設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的表達(dá)?！?/p>

20 世紀(jì) 60 年代，美國生物化學(xué)家羅伯特 · 梅里菲爾德（Robert Merrifield）提出了另一種生產(chǎn)蛋白質(zhì)的方法，他后來也因在固相多肽合成（Solid-phase peptide synthesis，SPPS）領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，而獲得了 1984 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。人體用來制造蛋白質(zhì)的氨基酸有 20 種，通過使用梅里菲爾德提出的方法，仍然需要大約一個(gè)小時(shí)才能把一個(gè)氨基酸添加到肽鏈上。

近年來，彭特盧特團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種更快速的方法來進(jìn)行這些反應(yīng)，這種方法基于一種被稱為流動(dòng)化學(xué)的技術(shù)——快速流動(dòng)多肽合成（Automated fast-flow peptide synthesis，AFPS）。在他們的機(jī)器中，化學(xué)物質(zhì)通過機(jī)械泵和閥門混合，在合成過程中的每一步，化學(xué)物質(zhì)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，多達(dá) 25 個(gè)氨基酸的多肽可以在不到一小時(shí)內(nèi)合成。

隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)多種蛋白質(zhì)藥物的諾和諾德公司開始與彭特盧特的實(shí)驗(yàn)室合作，合成更長的肽和蛋白質(zhì)。為了達(dá)到這個(gè)目的，研究人員需要提高在氨基酸之間形成鈦鍵的反應(yīng)效率。對于每一個(gè)反應(yīng)，此前的效率為 95% 到 98%，但要想合成更長的蛋白質(zhì)，效率需要超過 99%。

“如果我們確實(shí)很擅長制造多肽，那我們就可以通過擴(kuò)展技術(shù)來制造更長的蛋白質(zhì)，” 彭特盧特說，“我們的想法是，設(shè)計(jì)一臺機(jī)器，用戶可以走到機(jī)器前，將蛋白質(zhì)序列輸入機(jī)器中，然后將這些氨基酸高效地連接在一起，最終你就可以得到你想要的蛋白質(zhì)。這是非常具有挑戰(zhàn)性的，如果有一步化學(xué)反應(yīng)效率沒有接近 100%，你就不會(huì)得到你想要的蛋白質(zhì)。”

為提高合成成功率并找到每個(gè)反應(yīng)的最佳方法，研究人員在不同條件下進(jìn)行氨基酸特異性偶聯(lián)反應(yīng)。研究人員表示，他們在這項(xiàng)研究中制定了一個(gè)通用的協(xié)議，使得每個(gè)反應(yīng)的平均效率高于 99%，當(dāng)這么多的氨基酸被連接起來形成大分子蛋白質(zhì)時(shí)，這就有了顯著的不同。

圖｜被研究團(tuán)隊(duì)稱為 “ Amidator” 的蛋白質(zhì)自動(dòng)合成儀器

論文第一作者妮娜 · 哈特蘭普夫（Nina Hartrampf）表示，“如果你想制造蛋白質(zhì)，這額外的 1% 錯(cuò)誤會(huì)產(chǎn)生很大的不同，因?yàn)闀?huì)有副產(chǎn)品積累，而且你也需要為每個(gè)加入的氨基酸提供很高的成功率。

利用這種方法，研究人員可以合成含有 164 種氨基酸的分選酶 A（Sortase A）、含有 86 個(gè)氨基酸的胰島素原（proinsulin）、含有 129 個(gè)氨基酸的溶菌酶（lysozyme）和其他蛋白質(zhì)。所需的蛋白質(zhì)必須經(jīng)過純化，然后折疊成正確的形狀，這會(huì)為整個(gè)合成過程增加幾個(gè)小時(shí)。所有純化的合成蛋白質(zhì)都以毫克量獲得，占總產(chǎn)量的 1% 到 5%。

藥物化學(xué)

研究人員還測試了 5 種合成蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)它們與生物學(xué)表達(dá)的變體相當(dāng)。

研究人員說，快速生成所需蛋白質(zhì)序列的能力應(yīng)該可以加快藥物研發(fā)和測試的速度。這項(xiàng)新技術(shù)還可以將活細(xì)胞 DNA 編碼的 20 種氨基酸以外的其他氨基酸整合到蛋白質(zhì)中，極大擴(kuò)展了可能制造出的蛋白質(zhì)藥物的結(jié)構(gòu)和功能多樣性。

“這為蛋白質(zhì)藥物化學(xué)的新領(lǐng)域鋪平了道路，” 尼爾森表示，“ 這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)為如今的制藥業(yè)注入了新的可能，為快速發(fā)現(xiàn)基于肽和蛋白質(zhì)的生物制藥提供了新的機(jī)遇?！?/p>

如今，研究人員正改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，使其可以合成長達(dá) 300 個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)。他們還致力于使整個(gè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，當(dāng)有蛋白質(zhì)合成時(shí)，無需任何人工干預(yù)即可進(jìn)行切割、純化和折疊。

來源：麻省理工科技評論