西北大學領導的團隊開發(fā)了一種在細胞外制造蛋白質的新方法，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的質量，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，”西北大學麥考密克工程學院化學與生物工程副教授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的遺傳編碼化學的范圍。”

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

蛋白質生產(chǎn)在醫(yī)學，生物技術和生命科學中發(fā)揮著關鍵作用。例如，重組蛋白質的生產(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施中的活細胞中完成蛋白質生產(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)率的各種化學品的蛋白質已經(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)典氨基酸的蛋白質產(chǎn)量最高，這表明CFPS的長期商業(yè)應用可能是現(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，以吸收新的化學成分，”他說。“嘗試從該菌株開發(fā)無細胞蛋白質合成從未進行過。”

第二個元素來自于Jewett的學生Rey Martin，該論文的第一作者。

Jewett說，當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。

“我的學生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不僅可以應用藥物，還可以應用于藥物輸送系統(tǒng)，醫(yī)療材料(如手術縫合線)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開辟一個全新的材料化學研究領域，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。”