西北大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)了一種在細胞外制造蛋白質(zhì)的新方法，這種方法可能對治療和生物材料產(chǎn)生重要影響。這一進步可能使蛋白質(zhì)療法的分散制造和分銷過程成為可能，這些過程可能在未來促進全世界更好地獲得昂貴的藥物。該團隊著手提高體外或細胞外制造蛋白質(zhì)的質(zhì)量，并在多個方面取得了成功。

“我們開發(fā)了一種無細菌的無細胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)，能夠高效表達含有多種非經(jīng)典氨基酸的純蛋白質(zhì)，”西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院化學(xué)與生物工程副教授Michael Jewett說。“這很重要，因為它使我們能夠以先前無法實現(xiàn)的方式擴大納入蛋白質(zhì)的遺傳編碼化學(xué)的范圍。”

該團隊匯集了來自西北大學(xué)，耶魯大學(xué)和伊利諾理工學(xué)院的研究人員，于3月23日在Nature Communications雜志上報道了這項工作。

蛋白質(zhì)生產(chǎn)在醫(yī)學(xué)，生物技術(shù)和生命科學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，重組蛋白質(zhì)的生產(chǎn)通過合成生物藥物(如胰島素)和工業(yè)酶(如洗衣洗滌劑中使用的那些酶)，改變了數(shù)百萬人的生活。通常，在大型集中式制造設(shè)施中的活細胞中完成蛋白質(zhì)生產(chǎn)。

"Alternatively, what cell-free protein synthesis does is take the cell, rip off the cell wall, and collect the guts of the cell. We then use this to make a protein without a living, intact organism," said Jewett, who is also co-director of Northwestern's Center of Synthetic Biology. "You can imagine I've taken a car and opened the hood and taken out the engine and put it over here in my driveway. Now I can use it to do something else."

Without the worry of trying to keep a cell alive, this process opens up many possibilities, including the synthesis of new classes of enzymes, therapeutics, materials, and chemicals with diverse chemistry. A living cell may balk when asked to do something it hasn't seen in its evolutionary biology, not so for a cell-free protein synthesis (CFPS) platform.

然而，到目前為止的問題是，使用CFPS系統(tǒng)擴增多種非經(jīng)典氨基酸的努力受限于與終止蛋白質(zhì)合成的天然機制的競爭。因此，制造具有高純度和高產(chǎn)率的各種化學(xué)品的蛋白質(zhì)已經(jīng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

但是，對于體外系統(tǒng)，Jewett和團隊產(chǎn)生了具有非經(jīng)典氨基酸的蛋白質(zhì)產(chǎn)量最高，這表明CFPS的長期商業(yè)應(yīng)用可能是現(xiàn)實的。

Jewett將突破歸功于兩個要素。第一個是使用缺乏釋放因子1的大腸桿菌細菌的基因組記錄生物體的想法。

“這很重要，因為它為我們提供了一個開放的編碼渠道，以吸收新的化學(xué)成分，”他說。“嘗試從該菌株開發(fā)無細胞蛋白質(zhì)合成從未進行過。”

第二個元素來自于Jewett的學(xué)生Rey Martin，該論文的第一作者。

Jewett說，當(dāng)他們第一次嘗試使用該菌株時，他們未能制造足夠的蛋白質(zhì)。

“我的學(xué)生Rey在一項非常創(chuàng)新的策略中所做的是在該生物體的染色體中發(fā)現(xiàn)了我們認為對我們生產(chǎn)蛋白質(zhì)的能力產(chǎn)生負面影響的基因，”Jewett說。“他在功能上將它們滅活，以實現(xiàn)更高的無細胞蛋白質(zhì)合成產(chǎn)量。”

Jewett說Martin并沒有就此止步。

“Rey優(yōu)化了無細胞環(huán)境，使多種相同的非經(jīng)典氨基酸成為可能，”Jewett說。在研究人員僅使用一個或幾個實例之前，他說他的團隊能夠合并多達40個，特別是沒有可觀察截斷產(chǎn)品的網(wǎng)站。

“這意味著我們能夠以獨特和新的方式從根本上改變蛋白質(zhì)聚合物的特性，”Jewett說。“你可能會問，'好吧，你要做什么呢?'從研究的角度來看，我們之前沒有這種能力，所以我們甚至無法提出這個問題。“

Jewett不僅可以應(yīng)用藥物，還可以應(yīng)用于藥物輸送系統(tǒng)，醫(yī)療材料(如手術(shù)縫合線)和功能化生物聚合物的生物材料。

“這個平臺的特別之處在于它已經(jīng)在實驗室的許多其他項目區(qū)域中使用，”Jewett說。“它有可能為生物技術(shù)開辟一個全新的材料化學(xué)研究領(lǐng)域，更廣泛地說，可以實現(xiàn)疫苗和治療方法按需生物制造的新范例。”