無細(xì)胞合成技術(shù)及其生物醫(yī)藥大分子工程

趙思錦

華蘭生物疫苗有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 無細(xì)胞合成技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

合成生物學(xué)是一門新興的跨學(xué)科學(xué)科，它結(jié)合了分子生物學(xué)，工程學(xué)，數(shù)學(xué)等許多研究?jī)?nèi)容。它以工程思想為研究生命，旨在人工設(shè)計(jì)和構(gòu)建高效可控的生物系統(tǒng)。解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。合成生物技術(shù)自其崛起以來一直受到全世界的關(guān)注。早期合成生物技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要是標(biāo)準(zhǔn)調(diào)控元素的設(shè)計(jì)和合成。目前的研究?jī)?nèi)容擴(kuò)展到通過系統(tǒng)的生物學(xué)指導(dǎo)合理地組裝各種合成生物元件。

基因編輯和測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步使合成生物學(xué)能夠快速可靠地設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)化生物系統(tǒng)，極大地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域的發(fā)展。在過去多年的合成生物學(xué)的發(fā)展中，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要是將細(xì)胞設(shè)計(jì)為宿主。但是工程單元耗時(shí)且困難。主要原因是細(xì)胞生長(zhǎng)和適應(yīng)過程往往與工程目標(biāo)不一致。并且由于活細(xì)胞生命系統(tǒng)的復(fù)雜性，遺傳元件標(biāo)準(zhǔn)化的難度，細(xì)胞膜的阻塞等，它極大地限制了生物組分的轉(zhuǎn)化。為了克服這些問題，合成生物學(xué)的新方法正在出現(xiàn)：無細(xì)胞合成生物學(xué)[1]。

人類一直在與病毒性疾病作斗爭(zhēng)，如流感，肝炎，艾滋病，登革熱和其他流行病。2003年爆發(fā)的SARS，2009年爆發(fā)的豬流感痰（H1N1）以及2015年埃博拉病毒和寨卡病毒的破壞再次引起全球傳染病病毒的廣泛關(guān)注。到目前為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5000多種病毒，但據(jù)估計(jì)，這種病毒的數(shù)量還不到實(shí)際病毒數(shù)量的5%。

為了在生物醫(yī)學(xué)工業(yè)中開發(fā)無細(xì)胞合成生物技術(shù)，最具代表性的公司是在美國(guó)的一家名為SutroBiopharma的公司。目前發(fā)展的主要焦點(diǎn)是抗體-藥物偶聯(lián)（ADC）藥物。ADC藥物技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是連接子的偶聯(lián)。與其他公司不同，SutroBiopharma的技術(shù)方法是使用無細(xì)胞合成技術(shù)將未反應(yīng)的氨基酸與反應(yīng)基團(tuán)一起插入抗體，然后將它們與藥物偶聯(lián)。該技術(shù)手段一方面解決了天然氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)反應(yīng)引起的非均相反應(yīng)產(chǎn)物問題，解決了細(xì)胞系統(tǒng)中非天然氨基酸插入效率低下難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的問題。由于該技術(shù)的有效性，該公司近年來已獲得超過1億美元的投資，并被專業(yè)媒體評(píng)為最有前途的15大生物技術(shù)公司之一。

2 無細(xì)胞合成技術(shù)的作用

什么是無細(xì)胞合成生物學(xué)？簡(jiǎn)單地說，它是利用細(xì)胞資源在體外打開系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄，蛋白質(zhì)翻譯和代謝過程。建立無細(xì)胞合成系統(tǒng)的基本過程是首先從細(xì)胞中提取蛋白質(zhì)合成所必需的催化組分；然后添加氨基酸，能量底物，DNA模板等，以啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的延續(xù)。由于其開放性和可控性，它為生物合成操作提供了極大的工程自由度和可控性，包括：（1）避免細(xì)胞生長(zhǎng)和目標(biāo)產(chǎn)物合成以競(jìng)爭(zhēng)資源并增加最大目標(biāo)產(chǎn)物。（2）由于無細(xì)胞生長(zhǎng)問題，高質(zhì)量合成對(duì)細(xì)胞有毒的生物制品；（3）更容易直接控制蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄和翻譯，折疊和組裝；（4）由無細(xì)胞膜引起的阻塞非天然組分或材料可以很容易地嵌入生物分子或系統(tǒng)中。這些特性特別適用于高附加值生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和合成。

3 無細(xì)胞合成技術(shù)的應(yīng)用范圍

3.1 膜蛋白合成是無細(xì)胞合成系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一

膜蛋白占所有潛在藥物靶標(biāo)的四分之三。然而，由于細(xì)胞中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和過表達(dá)，存在諸如構(gòu)象折疊的問題，并且容易形成包涵體。在無細(xì)胞系統(tǒng)中，可以直接控制膜蛋白的合成和折疊。通過直接添加分子伴侶，表面活性劑或脂質(zhì)體，可以防止膜蛋白多肽的聚集，并且可以輔助結(jié)構(gòu)折疊和完整性；通過直接調(diào)節(jié)氧化還原環(huán)境，形成正確的二硫鍵。因此，無細(xì)胞合成已成為膜蛋白合成的非常有效的技術(shù)手段。此外，因?yàn)樗簧婕凹?xì)胞生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)和容易控制蛋白質(zhì)構(gòu)象折疊，所以無細(xì)胞合成系統(tǒng)特別適用于毒性蛋白質(zhì)的高水平表達(dá)和復(fù)雜蛋白質(zhì)合成。

3.2 無細(xì)胞體系蛋白質(zhì)合成目前另一大關(guān)注點(diǎn)是非天然氨基酸的嵌入

通過在蛋白質(zhì)中嵌入和修飾具有豐富側(cè)鏈的非天然氨基酸，已經(jīng)給出了在新結(jié)構(gòu)和功能上應(yīng)用科學(xué)研究的新機(jī)會(huì)。目前，常用的嵌入方法是在蜂窩系統(tǒng)中，采用全局抑制和正交翻譯系統(tǒng)等策略[2]。

3.3 面臨的挑戰(zhàn)

目前病毒疫苗的開發(fā)和生產(chǎn)面臨四大挑戰(zhàn)：（1）傳統(tǒng)的疫苗分子設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程基于雞蛋和哺乳動(dòng)物細(xì)胞等細(xì)胞，設(shè)計(jì)周期需要3至6個(gè)月。時(shí)間，使它無法應(yīng)對(duì)大規(guī)模突發(fā)性傳染病的爆發(fā)；（2）因?yàn)椴《颈旧聿粩嘧儺愄颖苌眢w的免疫防御系統(tǒng)，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的疫苗分子迅速失效；（3）疫苗分子大多數(shù)是膜蛋白，其天然構(gòu)象折疊的不可控和低溶解度對(duì)分子工程設(shè)計(jì)提出了巨大挑戰(zhàn)；（4）無法實(shí)現(xiàn)基于特定受試者問題的個(gè)性化治療。因此，面對(duì)各種病毒性疾病的預(yù)防和治療，迫切需要開發(fā)高效，快速的技術(shù)手段來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)新的大分子藥物，如疫苗，以服務(wù)于人類健康[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

因此，面對(duì)各種病毒性疾病的預(yù)防和治療，迫切需要開發(fā)高效，快速的技術(shù)手段來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)新的大分子藥物，如疫苗，以服務(wù)于人類健康。為了解決相關(guān)問題，我們創(chuàng)新開發(fā)了一種體外無細(xì)胞合成生物技術(shù)平臺(tái)，該平臺(tái)基于前身的快速設(shè)計(jì)和合成病毒疫苗分子及其輔助劑的技術(shù)手段。無細(xì)胞合成技術(shù)系統(tǒng)是一種無細(xì)胞壁（膜）的開放式合成系統(tǒng)，可在體外快速轉(zhuǎn)化基因并將其轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。由于其簡(jiǎn)單、開放、快速和易于工業(yè)擴(kuò)增，它是為生物醫(yī)學(xué)分子設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。良好的工程自由度可以解決傳染病毒病疫苗分子工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的相關(guān)問題。