革新生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的新興策略——無細胞合成生物技術(shù)

　　基因編輯和測序技術(shù)的進步，使得合成生物學家可快速可靠地設計改造生物體系，大大推動了醫(yī)藥健康領域的發(fā)展。而在過去多年合成生物學的發(fā)展中，特別是在生物醫(yī)藥領域，主要還是以細胞為宿主進行工程化設計。但是對細胞進行工程化是費時和困難的。本文威正翔禹/締一生物為您分析革新生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的新興策略——無細胞合成生物技術(shù)。

    主要原因在于細胞的生長及適應性過程通常與工程設計目標是不一致的。并且由于活細胞生命系統(tǒng)的復雜性、基因元件難以標準化、細胞膜的阻礙等，其大大限制了生物組件的改造。為克服這些問題，一項新的合成生物學手段正在興起：無細胞合成生物學 （Cell-free synthetic biology） 。

　　為什么要做無細胞合成？一句話：做細胞難做的事

　　什么是無細胞合成生物學？簡單地講，就是利用細胞資源，在體外開放體系實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯和代謝過程。無細胞合成系統(tǒng)建立的基本流程是：首先從細胞中提取蛋白質(zhì)合成所必需的催化成分；然后補充添加氨基酸、能量底物、DNA模板等來啟動基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯的持續(xù)進行。由于它的開放性和可控性，給生物合成操作提供了極大的工程自由度和可控度，包括：1） 避免了細胞生長和目標產(chǎn)物合成對資源的競爭，提高目標產(chǎn)品的**化合成效率；2） 因無細胞生長問題，可高量合成對細胞有毒性的生物產(chǎn)品；3） 更易直接控制基因轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)的翻譯、折疊和組裝；4） 因無細胞膜的阻礙，可將非天然元件或材料輕易嵌入生物分子或體系。這些特性特別適用于高附加值的生物醫(yī)藥產(chǎn)品的設計和合成。

　　膜蛋白合成是無細胞合成系統(tǒng)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，然而由于其復雜的結(jié)構(gòu)在細胞內(nèi)進行過量表達時，會存在構(gòu)象折疊等問題，容易形成包涵體。在無細胞體系中可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，防止膜蛋白多肽的聚集，輔助結(jié)構(gòu)折疊且完整性；通過直接調(diào)節(jié)氧化還原環(huán)境，以形成正確的二硫鍵。因而，無細胞合成已成為膜蛋白合成非常有效技術(shù)手段。另外，因為不涉及細胞生長和易控制蛋白構(gòu)象折疊的優(yōu)勢，無細胞合成體系特別適用于高量表達對細胞有毒性蛋白和復合蛋白的合成。

　　無細胞體系蛋白質(zhì)合成目前另一大關注點是非天然氨基酸的嵌入。通過將帶有豐富側(cè)鏈的非天然氨基酸在蛋白質(zhì)中的嵌入及后修飾，為新型結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)的應用科學研究拓展給予了新的契機。目前常用的嵌入手段是在細胞體系，采取全局抑制 （global suppression） 、正交翻譯體系 （orthogonal translation system） 等策略。而在細胞體系中，很多因素限制了非天然氨基酸的高效嵌入，使得在產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展不甚理想，主要問題包括：

　　復雜代謝造成低的嵌入效率；

　　大基團非天然氨基酸因為低的細胞膜滲透性，無法進入細胞內(nèi)部；

　　高濃度非天然翻譯元件引起細胞毒性等。

　　而面對這些問題，利用無細胞合成體系的優(yōu)勢，包括：

　　無復雜代謝只專注于目標產(chǎn)品合成；

　　無細胞膜；

　　高細胞毒性忍耐性等，可以更容易克服細胞體系存在的問題。

　　因此，通過無細胞體系將非天然氨基酸嵌入蛋白質(zhì)的技術(shù)手段，越來越多受到產(chǎn)業(yè)界的關注。

　　 綜上所述，您是不是已經(jīng)對革新生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的新興策略——無細胞合成生物技術(shù)，有所了解。如果還有其他疑問，請咨詢威正翔禹/締一生物資深專家免費熱線：400-166-8600。