身懷十八般武藝的合成蛋白

褚沛然

從染色體到細胞再到組織、器官，無一不見蛋白質(zhì)的身影；從DNA復(fù)制，到細胞分裂再到催化生物體內(nèi)各種復(fù)雜的化學反應(yīng)以及免疫反應(yīng)的進行，蛋白質(zhì)都必不可少。它占人體細胞去除水分后凈重的50%以上，是生命活動的主要承擔者。

而“多才多藝”的蛋白質(zhì)是由生物體內(nèi)20種氨基酸經(jīng)過復(fù)雜的排列組合生成的。自然合成的蛋白質(zhì)雖然種類很多，但相較于20種氨基酸不同的排列組合總數(shù)來說，還只是很小的一部分，宛如茫茫沙漠中的一粒沙。因此，蛋白質(zhì)除自然合成的之外，其它的龐大種類還有待開發(fā)，所以化學合成蛋白質(zhì)有極大的發(fā)展空間并且有廣闊的運用前景。

蛋白質(zhì)的化學合成的第一步是先設(shè)想所合成蛋白質(zhì)如何運用，也就是說先設(shè)想好目標蛋白質(zhì)的功能并據(jù)此設(shè)計出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，再推導出合成這種蛋白質(zhì)需要哪些氨基酸。

那么，合成蛋白質(zhì)將會在哪些領(lǐng)域大顯身手呢？

人工合成酶

細胞內(nèi)的新陳代謝離不開酶的催化，生物體內(nèi)的酶只有少部分是RNA，大部分是蛋白質(zhì)。生物體內(nèi)的各種代謝活動都離不開酶的參與，比如你需要通過無時無刻的呼吸作用產(chǎn)生能量，這就離不開酶的作用。如果沒有酶的參與，生物的生理活動就會變得遲緩。并且，酶具有專一性，一種酶只能催化一類反應(yīng)。

事實上，科學家們已經(jīng)成功合成了一種新的蛋白酶，能夠在活細胞內(nèi)創(chuàng)建新的代謝途徑。這項研究不僅為人工合成酶提供了思路，還使我們對于酶的結(jié)構(gòu)和作用有了更深刻的理解。此外，化學合成的蛋白酶還應(yīng)用于催化醫(yī)藥反應(yīng)過程，例如催化作用于腹腔疾病的口服藥物，催化其他化學合成蛋白和引起阿爾茨海默癥毒蛋白的中和反應(yīng)。

目前，科學家們已經(jīng)逐步理解已知生物酶大家族的基本架構(gòu)，這為未來合成新型蛋白酶指明了方向。

靶向治療搬運工

靶向治療是目前認為在癌癥治療中最有效也是對正常細胞傷害最小的方式，而如何將藥物運送到癌變部位還能保持其活性是靶向治療中的關(guān)鍵步驟。最近，科學家研制出了一種載體——人工蛋白質(zhì)納米顆粒，由化學合成蛋白質(zhì)與納米顆粒相結(jié)合，用于解決這個問題。

人工蛋白質(zhì)納米顆粒結(jié)構(gòu)類似于一個小容器，可以把它想象成一個膠囊，里面裝載著特定的藥物，同時納米顆粒進入人體后，會不可避免地吸收人體體液中的蛋白質(zhì)分子，蛋白質(zhì)分子籠罩在納米顆粒的周圍，像是戴上一頂帽子，形成了納米顆?！鞍踪|(zhì)冠。到達病變細胞后，蛋白質(zhì)冠會與病變細胞上的蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，裝載的藥物會被釋放出來，直接作用于病變細胞。

這種人工蛋白質(zhì)納米顆粒運載技術(shù)是一種全新的靶向藥物運載技術(shù)，能夠精準定位病變細胞，對其他活細胞沒有毒副作用。值得一提的是科學家已經(jīng)成功合成一種治療腦疾病的蛋白質(zhì)納米粒子，能夠穿透血管和腦之間的“血腦屏障”，將藥物直接作用于病變腦細胞處，這為腦疾病的治療開辟了新的道路。

新型疫苗

除了藥物運輸，人工蛋白質(zhì)納米顆粒也是發(fā)展新型疫苗的基礎(chǔ)。科學家們希望納米顆粒表面的毒蛋白能夠引起細胞的特異性免疫反應(yīng)，為防御艾滋病病毒和流感病毒打下基礎(chǔ)。

最近，這些合成蛋白質(zhì)納米顆粒是否能夠為疫苗的保存打開一片新的天地引起了廣泛關(guān)注?，F(xiàn)在的疫苗都采用冷凍儲存的方式，世界上的許多貧困地區(qū)因為條件的限制無法保存疫苗，這限制了疫苗的普及工作。而新型的人工蛋白質(zhì)納米顆粒疫苗將會具有熱穩(wěn)定性，在較高的溫度下也能夠保存，這將使全球更大的地區(qū)都能夠獲得并保存疫苗。

新型多肽藥物

多肽藥物的合成也是蛋白質(zhì)化學合成的一個重要部分。多肽藥物相較于傳統(tǒng)小分子藥物，具有特異性高，毒副作用小，臨床成功率高等優(yōu)點。一般由2個到50個氨基酸合成，相較于蛋白質(zhì)藥物，研發(fā)相對簡單，生產(chǎn)成本更低。它在一定程度上彌補了大分子藥物和小分子藥物之間的空缺，因為同時具有大分子藥物和小分子藥物的優(yōu)點。但是，多肽藥物仍存在兩個致命的缺點：難以通過細胞膜和容易被分解，這導致目前多肽藥物無法成為藥物市場的主流。

最近，科學家用計算機模擬了合成多肽藥物及其降解過程，發(fā)現(xiàn)能夠在引入非天然的氨基酸，讓它們與天然的多肽結(jié)合，合成新的多肽鏈，這樣的多肽能免于高溫降解或化學降解。這種方法為研發(fā)新的多肽藥物提供了基本架構(gòu)。

合成蛋白質(zhì)多用途

化學合成蛋白質(zhì)的用途十分廣泛，遠不止上述所說的三種。

最近，科學家設(shè)計出了小型穩(wěn)定的蛋白質(zhì)與毒蛋白的有機化學反應(yīng)。其中，有一種合成蛋白成功與病毒性糖蛋白血球凝集素反應(yīng)，病毒性血球凝集素是導致流感病毒進入細胞的罪魁禍首。在小鼠的實驗中，化學合成蛋白使患流感小鼠恢復(fù)了健康，同時還據(jù)具有預(yù)防流感的功效。這使得研制強效抗流感藥物成為可能。同樣的研制方法還應(yīng)用于抗埃博拉病毒藥、治療癌癥以及抗自體免疫疾病的藥物研制。

除此之外，合成蛋白還應(yīng)用于超級材料的制作。自然界中也存在一些超級材料，由有機物和無機物混合組成，比如鮑魚殼，它由氧化鈣和蛋白質(zhì)結(jié)合而成，具有超強的硬度。很明顯，蛋白質(zhì)的加入改變了原本的無機物應(yīng)形成的結(jié)構(gòu)，對整體機構(gòu)及性能產(chǎn)生了影響。化學合成蛋白質(zhì)能夠復(fù)制這一過程，即與無機物相結(jié)合，創(chuàng)造出更多的超級材料。例如，用合成蛋白質(zhì)和無機材料交錯碼放制成一個超薄表面，這為制作抗腐蝕性薄膜和有機太陽能電池提供了思路。

另外，喜歡探索的科學家們正嘗試用合成蛋白質(zhì)制作出一個“蛋白質(zhì)邏輯系統(tǒng)”。我們的大腦的正常高效的運作基本上完全依賴于蛋白質(zhì)，有沒有可能制造出一個像大腦一樣的蛋白質(zhì)邏輯系統(tǒng)，以取代現(xiàn)在的無機計算機系統(tǒng)呢？要解決這個問題，還需要對大腦的運作機制進行透徹的研究。

合成蛋白具有無限可能，隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，身懷十八般武藝的化學合成蛋白質(zhì)必定能夠大展拳腳。endprint