Ny teknologi muliggør hurtig proteinsyntese

Mange proteiner er nyttige som lægemidler til lidelser såsom diabetes, Kræft, og gigt. Syntetisering af kunstige versioner af disse proteiner er en tidskrævende proces, der kræver gensplejsning af mikrober eller andre celler for at producere det ønskede protein.

MIT kemikere har udtænkt en protokol til dramatisk at reducere mængden af ​​tid, der kræves for at generere syntetiske proteiner. Deres bordpladeautomatiske flowsyntesemaskine kan sammenkæde hundredvis af aminosyrer, byggestenene i proteiner, inden for timer. Forskerne mener, at deres nye teknologi kan fremskynde fremstillingen af ​​on-demand-terapier og udviklingen af ​​nye lægemidler, og tillade videnskabsmænd at designe kunstige proteiner ved at inkorporere aminosyrer, der ikke findes i celler.

"Du kunne designe nye varianter, der har overlegen biologisk funktion, aktiveret ved at bruge ikke-naturlige aminosyrer eller specialiserede modifikationer, som ikke er mulige, når du bruger naturens apparater til at lave proteiner, " siger Brad Pentelute, en lektor i kemi ved MIT og seniorforfatter af undersøgelsen.

I en avis, der udkommer i dag i Videnskab , forskerne viste, at de kemisk kunne producere flere proteinkæder op til 164 aminosyrer i længden, herunder enzymer og vækstfaktorer. For en håndfuld af disse syntetiske proteiner, de udførte en detaljeret analyse, der viser, at deres funktion er sammenlignelig med deres naturligt forekommende modparter.

Hovedforfatterne af papiret er tidligere MIT postdoc Nina Hartrampf, som nu er adjunkt ved universitetet i Zürich, MIT kandidatstuderende Azin Saebi, og tidligere MIT teknisk associeret Mackenzie Poskus.

Hurtig produktion

De fleste proteiner, der findes i den menneskelige krop, er op til 400 aminosyrer lange. Syntetisering af store mængder af disse proteiner kræver levering af gener for de ønskede proteiner til celler, der fungerer som levende fabrikker. Denne proces bruges til at programmere bakterie- eller gærceller til at producere insulin og andre lægemidler såsom væksthormoner.

"Dette er en tidskrævende proces, siger Thomas Nielsen. leder af forskningskemi hos Novo Nordisk, som også er forfatter til undersøgelsen. "Først skal du have det tilgængelige gen, og du skal vide noget om organismens cellulære biologi, så du kan konstruere ekspressionen af ​​dit protein."

En alternativ tilgang til proteinproduktion, først foreslået i 1960'erne af Bruce Merrifield, som senere blev tildelt Nobelprisen i kemi for sit arbejde med fastfase peptidsyntese, er at kemisk binde aminosyrer sammen på en trinvis måde. Der er 20 aminosyrer, som levende celler bruger til at bygge proteiner, og ved at bruge de teknikker, som Merrifield har udviklet, det tager omkring en time at udføre de kemiske reaktioner, der er nødvendige for at tilføje en aminosyre til en peptidkæde.

I de seneste år, Pentelutes laboratorium har opfundet en hurtigere metode til at udføre disse reaktioner, baseret på en teknologi kendt som flowkemi. I deres maskine, kemikalier blandes ved hjælp af mekaniske pumper og ventiler, og ved hvert trin af den samlede syntese cykler de gennem en opvarmet reaktor indeholdende et harpiksleje. I den optimerede protokol, dannelse af hver peptidbinding tager i gennemsnit 2,5 minutter, og peptider op til 25 aminosyrer lange kan samles på mindre end en time.

Efter udviklingen af ​​denne teknologi, Novo Nordisk, som fremstiller flere proteinlægemidler, blev interesseret i at arbejde med Pentelutes laboratorium for at syntetisere længere peptider og proteiner. For at opnå det, forskerne havde brug for at forbedre effektiviteten af ​​de reaktioner, der danner peptidbindinger mellem aminosyrer i kæden. For hver reaktion, deres tidligere effektivitetsrate var mellem 95 og 98 procent, men for længere proteiner, de havde brug for, at det var over 99 procent.

"Rationalet var, hvis vi blev rigtig gode til at lave peptider, vi kunne udvide teknologien til at lave proteiner, " siger Pentelute. "Ideen er at have en maskine, som en bruger kan gå hen til og sætte i en proteinsekvens, og det ville binde disse aminosyrer sammen på en så effektiv måde, at i slutningen af ​​dagen, du kan få det protein du ønsker. Det har været meget udfordrende, for hvis kemien ikke er tæt på 100 procent for hvert enkelt trin, du får ikke noget af det ønskede materiale."

For at øge deres succesrate og finde den optimale opskrift for hver reaktion, forskerne udførte aminosyrespecifikke koblingsreaktioner under mange forskellige forhold. I dette studie, de samlede en universel protokol, der opnåede en gennemsnitlig effektivitet på mere end 99 procent for hver reaktion, hvilket gør en væsentlig forskel, når så mange aminosyrer bliver forbundet til at danne store proteiner, siger forskerne.

"Hvis du vil lave proteiner, denne ekstra 1 procent gør virkelig hele forskellen, fordi biprodukter akkumuleres, og du har brug for en høj succesrate for hver enkelt aminosyre inkorporeret, " siger Hartrampf.

Ved at bruge denne tilgang, forskerne var i stand til at syntetisere et protein, der indeholder 164 aminosyrer - Sortase A, et bakterielt protein. De producerede også proinsulin, en insulinprecursor med 86 aminosyrer, og et enzym kaldet lysozym, som har 129 aminosyrer, samt et par andre proteiner. Det ønskede protein skal renses og derefter foldes i den rigtige form, hvilket tilføjer et par timer mere til den samlede synteseproces. Alle de oprensede syntetiserede proteiner blev opnået i milligram mængder, udgør mellem 1 og 5 procent af det samlede udbytte.

Medicinsk kemi

Forskerne testede også de biologiske funktioner af fem af deres syntetiske proteiner og fandt ud af, at de var sammenlignelige med de biologisk udtrykte varianter.

Evnen til hurtigt at generere enhver ønsket proteinsekvens bør muliggøre hurtigere udvikling og test af lægemidler, siger forskerne. Den nye teknologi gør det også muligt at inkorporere andre aminosyrer end de 20 kodet af DNA fra levende celler i proteiner, i høj grad udvide den strukturelle og funktionelle mangfoldighed af potentielle proteinlægemidler, der kunne skabes.

"Dette baner vejen for et nyt felt inden for proteinmedicinsk kemi, " siger Nielsen. "Denne teknologi supplerer virkelig det, der er tilgængeligt for medicinalindustrien, giver nye muligheder for hurtig opdagelse af peptid- og proteinbaserede biofarmaceutiske produkter."

Forskerne arbejder nu på at forbedre teknologien yderligere, så den kan samle proteinkæder på op til 300 aminosyrer lange. De arbejder også på at automatisere hele fremstillingsprocessen, så når først proteinet er syntetiseret, spaltningen, rensning, og foldetrin forekommer også uden behov for menneskelig indgriben.