探索蛋白质人工化学合成的奥秘

推介单位：北京化学会

受访专家：刘磊

采编：许洛袈

刘 磊

清华大学化学系主任，教授，博士生导师。曾获“中国化学会青年化学奖”“药明康德生命化学研究奖”“2020科学探索奖”等。

在过去的数十年中，蛋白质的人工化学合成取得了巨大进步。相较于自然界的生物合成，化学合成可创制具有各种精确控制结构及非天然结构的人造蛋白质，对于发展满足我们需求的蛋白质工具和蛋白质产品带来了新机遇。在2022年首都前沿学术成果报告会（化学生物学领域）上，科协频道、《科研成果与传播》杂志针对蛋白质人工化学合成现状、发展及应用等话题，对清华大学化学系主任、“2020科学探索奖”获得者刘磊进行了专访。

更高效的蛋白质化学合成方法

蛋白质在活体生物的细胞过程中起着核心作用，其中特定蛋白质执行的生化功能依赖于其三维空间立体结构，这个结构由组成蛋白质肽链的氨基酸序列所决定。为了研究蛋白质分子的功能和机制，或发展新功能的蛋白质，我们需要获得蛋白質。而生物学通过分子克隆和重组表达生产的蛋白质具有结构上的限制，并不能产生我们需要的各种蛋白质，因此使用化学方法人工合成蛋白质是我们需要探索的研究。

1965年，中国科学家在世界上首次人工合成牛胰岛素，开启了生命化学研究的新时代。历经后续科研工作者的不断努力，化学合成蛋白质依靠化学选择性连接反应（chemical ligation）将固相合成的多肽（含50～60个氨基酸单元）特异性连接成为蛋白质，成为合成200个氨基酸在内的主流方案。然而受限于N端氨基酸种类有限以及合成多肽硫酯较为困难，这种方法存在效率不足的瓶颈。

“我们的研究主要得益于一个偶然的发现。我们发现多肽酰肼可以使得化学合成蛋白质的反应更为高效、便捷且具有选择性，使得合成的蛋白质从之前的100～200个氨基酸跨越到现在的500个氨基酸，并且正朝着1000个氨基酸的方向努力。目前酰肼法已成为国际上人工合成蛋白质的一种常用方法。”刘磊说。

开发蛋白质工具及药物

相较于使用生物（如大肠杆菌）合成蛋白质，使用化学合成蛋白质能在序列中插入任意非天然氨基酸残基、非蛋白质基团及标记物（如荧光团）等，从而成为阐明蛋白质结构-功能关系的重要分子工具，并且也为创造新结构的生物大分子药物带来了机遇。

蛋白质化学合成目前主要有几个方面的应用，刘磊介绍：“一是我们发展的化学合成蛋白质的新技术与新方法，在国内外的一些企业中已经投入药物研发和生产;二是我们发展的一些蛋白质工具、蛋白质试剂等产品在国际上得到更多的应用;最后是蛋白质药物，我们化学合成的蛋白质可以搭建药物的筛选系统或者使用本身带有活性的人造蛋白质来作为药物。”

“我们从蛋白质化学合成出发积极参加同事们的一些合作探索，例如与清华大学生命科学学院陈晔光教授合作研究抗肿瘤活性肽，在类器官模型上发现了活性，正进入转化开发。与清华大学药学院何伟教授合作研究抗新冠病毒的药物，近期获得了一些进展。与中国科学技术大学田长麟教授合作研究针对GPCR家族的多肽药物，尝试将其用于一些诊疗中。”刘磊说。

蛋白质化学合成的极限在于不断的探索与新发现

通过化学方法合成蛋白质，并非要对抗具有精妙能力的自然生物合成的效能。事实上，人工合成蛋白质的基本任务是去制备我们需要获得的、但又无法利用生物技术去获取的蛋白质，即化学合成是我们解决问题不得不采用的一种必需手段。这些蛋白质的用途包括研究自然界的奥秘，理解蛋白质的行为以及与药物相互作用的过程，是基础科学的一种探索。

利用合成化学制造各种可能的蛋白质是一个长远的目标。“如果从自然界的现有极限来看，我们在未来一段时间内实现的目标可能是克服一个物种，例如大肠杆菌物种的蛋白质组全覆盖，在此基础上去研究生命过程中一些与药物相关的重要蛋白质并发展更多的蛋白质药物。如果要覆盖人类的全蛋白质组可能是更长远的目标。而要能合成自然界任意可能拥有的蛋白质，这或许是一个更加长远的愿望。随着每个目标的实现，过程中的每一步都将是我们在历史上能够推动的合成化学的进步，并且在此基础上更好地审视蛋白质作为生命分子当中关键的科学奥秘以及如何在化学上真正了解蛋白质药物的设计思路和作用机制。半个世纪前，中国科学家不畏艰难，在世界上首次实现牛胰岛素的人工合成，这激励着我们后辈在欣欣向荣的新时代里要加倍努力，蛋白质人工化学合成的极限在于不断的探索与新发现。”刘磊说。