無細胞合成技術及其生物醫藥大分子工程

趙思錦

華蘭生物疫苗有限公司 河南新鄉 453000

1 無細胞合成技術發展現狀

合成生物學是一門新興的跨學科學科，它結合了分子生物學，工程學，數學等許多研究內容。它以工程思想為研究生命，旨在人工設計和構建高效可控的生物系統。解決能源、材料、健康和環保等問題。合成生物技術自其崛起以來一直受到全世界的關注。早期合成生物技術的研究內容主要是標準調控元素的設計和合成。目前的研究內容擴展到通過系統的生物學指導合理地組裝各種合成生物元件。

基因編輯和測序技術的進步使合成生物學能夠快速可靠地設計和轉化生物系統，極大地促進了醫學健康領域的發展。在過去多年的合成生物學的發展中，特別是在生物醫學領域，主要是將細胞設計為宿主。但是工程單元耗時且困難。主要原因是細胞生長和適應過程往往與工程目標不一致。并且由于活細胞生命系統的復雜性，遺傳元件標準化的難度，細胞膜的阻塞等，它極大地限制了生物組分的轉化。為了克服這些問題，合成生物學的新方法正在出現：無細胞合成生物學[1]。

人類一直在與病毒性疾病作斗爭，如流感，肝炎，艾滋病，登革熱和其他流行病。2003年爆發的SARS，2009年爆發的豬流感痰（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注。到目前為止，人類已經發現了5000多種病毒，但據估計，這種病毒的數量還不到實際病毒數量的5%。

為了在生物醫學工業中開發無細胞合成生物技術，最具代表性的公司是在美國的一家名為SutroBiopharma的公司。目前發展的主要焦點是抗體-藥物偶聯（ADC）藥物。ADC藥物技術的關鍵點是連接子的偶聯。與其他公司不同，SutroBiopharma的技術方法是使用無細胞合成技術將未反應的氨基酸與反應基團一起插入抗體，然后將它們與藥物偶聯。該技術手段一方面解決了天然氨基酸側鏈基團反應引起的非均相反應產物問題，解決了細胞系統中非天然氨基酸插入效率低下難以實現工業化的問題。由于該技術的有效性，該公司近年來已獲得超過1億美元的投資，并被專業媒體評為最有前途的15大生物技術公司之一。

2 無細胞合成技術的作用

什么是無細胞合成生物學？簡單地說，它是利用細胞資源在體外打開系統來實現基因轉錄，蛋白質翻譯和代謝過程。建立無細胞合成系統的基本過程是首先從細胞中提取蛋白質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，以啟動基因轉錄和蛋白質翻譯的延續。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）避免細胞生長和目標產物合成以競爭資源并增加最大目標產物。（2）由于無細胞生長問題，高質量合成對細胞有毒的生物制品；（3）更容易直接控制蛋白質的基因轉錄和翻譯，折疊和組裝；（4）由無細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中。這些特性特別適用于高附加值生物醫學產品的設計和合成。

3 無細胞合成技術的應用范圍

3.1 膜蛋白合成是無細胞合成系統的主要應用領域之一

膜蛋白占所有潛在藥物靶標的四分之三。然而，由于細胞中的復雜結構和過表達，存在諸如構象折疊的問題，并且容易形成包涵體。在無細胞系統中，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，表面活性劑或脂質體，可以防止膜蛋白多肽的聚集，并且可以輔助結構折疊和完整性；通過直接調節氧化還原環境，形成正確的二硫鍵。因此，無細胞合成已成為膜蛋白合成的非常有效的技術手段。此外，因為它不涉及細胞生長的優點和容易控制蛋白質構象折疊，所以無細胞合成系統特別適用于毒性蛋白質的高水平表達和復雜蛋白質合成。

3.2 無細胞體系蛋白質合成目前另一大關注點是非天然氨基酸的嵌入

通過在蛋白質中嵌入和修飾具有豐富側鏈的非天然氨基酸，已經給出了在新結構和功能上應用科學研究的新機會。目前，常用的嵌入方法是在蜂窩系統中，采用全局抑制和正交翻譯系統等策略[2]。

3.3 面臨的挑戰

目前病毒疫苗的開發和生產面臨四大挑戰：（1）傳統的疫苗分子設計和生產過程基于雞蛋和哺乳動物細胞等細胞，設計周期需要3至6個月。時間，使它無法應對大規模突發性傳染病的爆發；（2）因為病毒本身不斷變異逃避身體的免疫防御系統，導致原設計的疫苗分子迅速失效；（3）疫苗分子大多數是膜蛋白，其天然構象折疊的不可控和低溶解度對分子工程設計提出了巨大挑戰；（4）無法實現基于特定受試者問題的個性化治療。因此，面對各種病毒性疾病的預防和治療，迫切需要開發高效，快速的技術手段來設計和生產新的大分子藥物，如疫苗，以服務于人類健康[3]。

4 結語

因此，面對各種病毒性疾病的預防和治療，迫切需要開發高效，快速的技術手段來設計和生產新的大分子藥物，如疫苗，以服務于人類健康。為了解決相關問題，我們創新開發了一種體外無細胞合成生物技術平臺，該平臺基于前身的快速設計和合成病毒疫苗分子及其輔助劑的技術手段。無細胞合成技術系統是一種無細胞壁（膜）的開放式合成系統，可在體外快速轉化基因并將其轉化為蛋白質。由于其簡單、開放、快速和易于工業擴增，它是為生物醫學分子設計和生產的。良好的工程自由度可以解決傳染病毒病疫苗分子工程設計和生產中的相關問題。