麻省理工学院自动桌面快速蛋白质合成机可以加速药物开发

快速蛋白合成技术

麻省理工学院化学家开发了一种迅速产生高达164个氨基酸的蛋白质链的方案。基于流动的技术可以加速药物开发,并允许科学家设计包含在细胞中自然发生的氨基酸的新型蛋白质变体。这里示出了自动桌面机,由研究团队昵称为“酰胺酰胺”。信贷:由研究人员提供

自动化桌面机器可以加速治疗癌症和其他疾病的新药的开发。

许多蛋白质可以用作治疗糖尿病、癌症和关节炎等疾病的药物。人工合成这些蛋白质是一个耗时的过程,需要通过基因工程微生物或其他细胞来产生所需的蛋白质。

麻省理工学院化学家们已经设计出一套方案,可以大大缩短合成蛋白质所需的时间。他们的桌面自动流合成机可以串起数百个


Amino acids are a set of organic compounds used to build proteins. There are about 500 naturally occurring known amino acids, though only 20 appear in the genetic code. Proteins consist of one or more chains of amino acids called polypeptides. The sequence of the amino acid chain causes the polypeptide to fold into a shape that is biologically active. The amino acid sequences of proteins are encoded in the genes. Nine proteinogenic amino acids are called "essential" for humans because they cannot be produced from other compounds by the human body and so must be taken in as food.
" class="glossaryLink ">氨基酸,几小时内蛋白质的建筑物块。研究人员认为,他们的新技术可以加快按需疗法的制造和新药的发展,并允许科学家通过掺入细胞中不存在的氨基酸来设计人造蛋白质。

“你可以设计出具有卓越生物学功能的新变种,通过使用非天然氨基酸或特殊修饰来实现,而这在你使用自然器官制造蛋白质时是不可能的,”麻省理工学院化学副教授、该研究的资深作者布拉德·彭特鲁特(Brad Pentelute)说。yabovip2021

在今天出现的纸上科学研究人员表明,它们可以在化学上生产多达164个氨基酸的蛋白质链,包括酶和生长因子。对于少数这些合成蛋白质,它们进行了详细分析,示出了它们的功能与天然存在的对应物的功能相当。

这篇论文的主要作者是前麻省理工学院博士后Nina Hartrampf,她现在是苏黎世大学的助理教授,麻省理工学院研究生Azin Saebi和前麻省理工学院技术助理Mackenzie Poskus。

快速生产

人体中发现的大多数蛋白质长达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递送到充当生活工厂的细胞中。该方法用于编程细菌或酵母细胞以产生胰岛素和其他药物如生长激素。

“这是一个耗时的过程,”诺和诺德的化学研究主管托马斯·尼尔森(Thomas Nielsen)说,他也是这项研究的作者之一。yabovip2021“首先,你需要有现成的基因,你需要了解有机体的细胞生物学,这样你才能设计你的蛋白质表达。”yabo124

在20世纪60年代逐时获得了20世纪60年代的替代方法,曾在20世纪60年代提出,后来授予他对固相肽合成的诺贝尔化学奖化学,是以逐步的方式化学串联氨基酸。yabovip2021有20个氨基酸,生物细胞用于构建蛋白质,并使用Merrifield先开发的技术,需要大约一个小时才能进行添加氨基所需的化学反应形成肽链。

近年来,基于称为流化学的技术,Penteute的实验室已经发明了更快的方法来执行这些反应。yabovip2021在其机器中,使用机械泵和阀门混合化学品,并且在整个合成的每个步骤中,它们通过含有树脂床的加热反应器循环。在优化方案中,形成每种肽键平均2.5分钟,并且可以在不到一小时的时间内组装高达25个氨基酸的肽。

在这项技术的发展之后,Novo Nordisk,这使得几种蛋白质药物,与Pentelute的实验室合成综合较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的效率。对于每种反应,其先前的效率率为95至98%,但对于更长的蛋白质,它们需要超过99%。

“基本原理是,如果我们真的很擅长制造肽,我们就可以扩展技术来制造蛋白质,”Pentelute说。他说:“我们的想法是有这样一种机器,用户可以走到机器前,输入蛋白质序列,它会以如此有效的方式将这些氨基酸串在一起,最终你就能得到你想要的蛋白质。这非常具有挑战性,因为如果每一步的化学反应都不接近100%,你就不会得到任何想要的材yabovip2021料。”

为了提高成功率并为每个反应找到最佳配方,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。在这项研究中,他们制定了一个通用的方案,每个反应的平均效率都超过99%,研究人员说,当这么多氨基酸连接在一起形成大型蛋白质时,这是一个显著的差异。

“如果你想制作蛋白质,这个额外的1%真的会产生所有的差异,因为副产品积累,你需要每种氨基酸的高成功率,”Hartrampf说。

利用这种方法,研究人员能够合成一种含有164个氨基酸的蛋白质——排序酶a,一种细菌蛋白质。它们还能产生胰岛素原(一种含有86个氨基酸的胰岛素前体)和一种叫做溶菌酶(含有129个氨基酸)的酶,以及其他一些蛋白质。需要的蛋白质必须被纯化,然后折叠成正确的形状,这就为整个合成过程增加了几个小时的时间。所有纯化合成的蛋白质均以毫克为单位,占总收率的1%至5%。

药物化学yabovip2021

研究人员还测试了其中五种合成蛋白的生物学功能,发现它们与生物表达的变异蛋白具有可比性。

研究人员表示,快速生成任何所需蛋白质序列的能力应能够更快的药物开发和测试。新技术还允许除了20种编码的20以外的氨基酸脱氧核糖核酸将活细胞掺入蛋白质中,大大扩大了可以产生的潜在蛋白质药物的结构和功能多样性。

“这是为蛋白质药用化学的新领域铺平了道路,”尼尔森说。yabovip2021“这项技术确实补充了制药行业可供选择的内容,为快速发现肽和基于蛋白质的生物制药提供新的机会。”

研究人员目前正在进一步改进这项技术,使其能够组装长达300个氨基酸的蛋白质链。他们还致力于整个制造过程的自动化,这样一旦蛋白质合成,裂解、纯化和折叠步骤也可以在不需要任何人为干预的情况下进行。

Pentute是一家名为amide技术的公司的联合创始人,该技术具有肽综合技术的许可方面,以获得可能的商业发展。该研究由Novo Nordisk提供资金,该研究基金会研究员研究奖学金以及科学奖学金的麻省理工学院院长。