无细胞合成技术及其生物医药大分子工程

赵思锦

华兰生物疫苗有限公司 河南新乡 453000

1 无细胞合成技术发展现状

合成生物学是一门新兴的跨学科学科，它结合了分子生物学，工程学，数学等许多研究内容。它以工程思想为研究生命，旨在人工设计和构建高效可控的生物系统。解决能源、材料、健康和环保等问题。合成生物技术自其崛起以来一直受到全世界的关注。早期合成生物技术的研究内容主要是标准调控元素的设计和合成。目前的研究内容扩展到通过系统的生物学指导合理地组装各种合成生物元件。

基因编辑和测序技术的进步使合成生物学能够快速可靠地设计和转化生物系统，极大地促进了医学健康领域的发展。在过去多年的合成生物学的发展中，特别是在生物医学领域，主要是将细胞设计为宿主。但是工程单元耗时且困难。主要原因是细胞生长和适应过程往往与工程目标不一致。并且由于活细胞生命系统的复杂性，遗传元件标准化的难度，细胞膜的阻塞等，它极大地限制了生物组分的转化。为了克服这些问题，合成生物学的新方法正在出现：无细胞合成生物学[1]。

人类一直在与病毒性疾病作斗争，如流感，肝炎，艾滋病，登革热和其他流行病。2003年爆发的SARS，2009年爆发的猪流感痰（H1N1）以及2015年埃博拉病毒和寨卡病毒的破坏再次引起全球传染病病毒的广泛关注。到目前为止，人类已经发现了5000多种病毒，但据估计，这种病毒的数量还不到实际病毒数量的5%。

为了在生物医学工业中开发无细胞合成生物技术，最具代表性的公司是在美国的一家名为SutroBiopharma的公司。目前发展的主要焦点是抗体-药物偶联（ADC）药物。ADC药物技术的关键点是连接子的偶联。与其他公司不同，SutroBiopharma的技术方法是使用无细胞合成技术将未反应的氨基酸与反应基团一起插入抗体，然后将它们与药物偶联。该技术手段一方面解决了天然氨基酸侧链基团反应引起的非均相反应产物问题，解决了细胞系统中非天然氨基酸插入效率低下难以实现工业化的问题。由于该技术的有效性，该公司近年来已获得超过1亿美元的投资，并被专业媒体评为最有前途的15大生物技术公司之一。

2 无细胞合成技术的作用

什么是无细胞合成生物学？简单地说，它是利用细胞资源在体外打开系统来实现基因转录，蛋白质翻译和代谢过程。建立无细胞合成系统的基本过程是首先从细胞中提取蛋白质合成所必需的催化组分；然后添加氨基酸，能量底物，DNA模板等，以启动基因转录和蛋白质翻译的延续。由于其开放性和可控性，它为生物合成操作提供了极大的工程自由度和可控性，包括：（1）避免细胞生长和目标产物合成以竞争资源并增加最大目标产物。（2）由于无细胞生长问题，高质量合成对细胞有毒的生物制品；（3）更容易直接控制蛋白质的基因转录和翻译，折叠和组装；（4）由无细胞膜引起的阻塞非天然组分或材料可以很容易地嵌入生物分子或系统中。这些特性特别适用于高附加值生物医学产品的设计和合成。

3 无细胞合成技术的应用范围

3.1 膜蛋白合成是无细胞合成系统的主要应用领域之一

膜蛋白占所有潜在药物靶标的四分之三。然而，由于细胞中的复杂结构和过表达，存在诸如构象折叠的问题，并且容易形成包涵体。在无细胞系统中，可以直接控制膜蛋白的合成和折叠。通过直接添加分子伴侣，表面活性剂或脂质体，可以防止膜蛋白多肽的聚集，并且可以辅助结构折叠和完整性；通过直接调节氧化还原环境，形成正确的二硫键。因此，无细胞合成已成为膜蛋白合成的非常有效的技术手段。此外，因为它不涉及细胞生长的优点和容易控制蛋白质构象折叠，所以无细胞合成系统特别适用于毒性蛋白质的高水平表达和复杂蛋白质合成。

3.2 无细胞体系蛋白质合成目前另一大关注点是非天然氨基酸的嵌入

通过在蛋白质中嵌入和修饰具有丰富侧链的非天然氨基酸，已经给出了在新结构和功能上应用科学研究的新机会。目前，常用的嵌入方法是在蜂窝系统中，采用全局抑制和正交翻译系统等策略[2]。

3.3 面临的挑战

目前病毒疫苗的开发和生产面临四大挑战：（1）传统的疫苗分子设计和生产过程基于鸡蛋和哺乳动物细胞等细胞，设计周期需要3至6个月。时间，使它无法应对大规模突发性传染病的爆发；（2）因为病毒本身不断变异逃避身体的免疫防御系统，导致原设计的疫苗分子迅速失效；（3）疫苗分子大多数是膜蛋白，其天然构象折叠的不可控和低溶解度对分子工程设计提出了巨大挑战；（4）无法实现基于特定受试者问题的个性化治疗。因此，面对各种病毒性疾病的预防和治疗，迫切需要开发高效，快速的技术手段来设计和生产新的大分子药物，如疫苗，以服务于人类健康[3]。

4 结语

因此，面对各种病毒性疾病的预防和治疗，迫切需要开发高效，快速的技术手段来设计和生产新的大分子药物，如疫苗，以服务于人类健康。为了解决相关问题，我们创新开发了一种体外无细胞合成生物技术平台，该平台基于前身的快速设计和合成病毒疫苗分子及其辅助剂的技术手段。无细胞合成技术系统是一种无细胞壁（膜）的开放式合成系统，可在体外快速转化基因并将其转化为蛋白质。由于其简单、开放、快速和易于工业扩增，它是为生物医学分子设计和生产的。良好的工程自由度可以解决传染病毒病疫苗分子工程设计和生产中的相关问题。