无细胞生物技术的新创新

西北大学领导的团队开发了一种在细胞外制造蛋白质的新方法，这种方法可能对治疗和生物材料产生重要影响。这一进步可能使蛋白质疗法的分散制造和分销过程成为可能，这些过程可能在未来促进全世界更好地获得昂贵的药物。该团队着手提高体外或细胞外制造蛋白质的质量，并在多个方面取得了成功。

“我们开发了一种无细菌的无细胞蛋白质合成系统，能够高效表达含有多种非经典氨基酸的纯蛋白质，”西北大学麦考密克工程学院化学与生物工程副教授Michael Jewett说。“这很重要，因为它使我们能够以先前无法实现的方式扩大纳入蛋白质的遗传编码化学的范围。”

该团队汇集了来自西北大学，耶鲁大学和伊利诺理工学院的研究人员，于3月23日在Nature Communications杂志上报道了这项工作。

蛋白质生产在医学，生物技术和生命科学中发挥着关键作用。例如，重组蛋白质的生产通过合成生物药物(如胰岛素)和工业酶(如洗衣洗涤剂中使用的那些酶)，改变了数百万人的生活。通常，在大型集中式制造设施中的活细胞中完成蛋白质生产。

"Alternatively, what cell-free protein synthesis does is take the cell, rip off the cell wall, and collect the guts of the cell. We then use this to make a protein without a living, intact organism," said Jewett, who is also co-director of Northwestern's Center of Synthetic Biology. "You can imagine I've taken a car and opened the hood and taken out the engine and put it over here in my driveway. Now I can use it to do something else."

Without the worry of trying to keep a cell alive, this process opens up many possibilities, including the synthesis of new classes of enzymes, therapeutics, materials, and chemicals with diverse chemistry. A living cell may balk when asked to do something it hasn't seen in its evolutionary biology, not so for a cell-free protein synthesis (CFPS) platform.

然而，到目前为止的问题是，使用CFPS系统扩增多种非经典氨基酸的努力受限于与终止蛋白质合成的天然机制的竞争。因此，制造具有高纯度和高产率的各种化学品的蛋白质已经提出了巨大的挑战。

但是，对于体外系统，Jewett和团队产生了具有非经典氨基酸的蛋白质产量最高，这表明CFPS的长期商业应用可能是现实的。

Jewett将突破归功于两个要素。第一个是使用缺乏释放因子1的大肠杆菌细菌的基因组记录生物体的想法。

“这很重要，因为它为我们提供了一个开放的编码渠道，以吸收新的化学成分，”他说。“尝试从该菌株开发无细胞蛋白质合成从未进行过。”

第二个元素来自于Jewett的学生Rey Martin，该论文的第一作者。

Jewett说，当他们第一次尝试使用该菌株时，他们未能制造足够的蛋白质。

“我的学生Rey在一项非常创新的策略中所做的是在该生物体的染色体中发现了我们认为对我们生产蛋白质的能力产生负面影响的基因，”Jewett说。“他在功能上将它们灭活，以实现更高的无细胞蛋白质合成产量。”

Jewett说Martin并没有就此止步。

“Rey优化了无细胞环境，使多种相同的非经典氨基酸成为可能，”Jewett说。在研究人员仅使用一个或几个实例之前，他说他的团队能够合并多达40个，特别是没有可观察截断产品的网站。

“这意味着我们能够以独特和新的方式从根本上改变蛋白质聚合物的特性，”Jewett说。“你可能会问，'好吧，你要做什么呢?'从研究的角度来看，我们之前没有这种能力，所以我们甚至无法提出这个问题。“

Jewett不仅可以应用药物，还可以应用于药物输送系统，医疗材料(如手术缝合线)和功能化生物聚合物的生物材料。

“这个平台的特别之处在于它已经在实验室的许多其他项目区域中使用，”Jewett说。“它有可能为生物技术开辟一个全新的材料化学研究领域，更广泛地说，可以实现疫苗和治疗方法按需生物制造的新范例。”