Традиционные методы синтеза белков: сложно и долго
Белки используются в качестве лекарств, в частности, для терапии таких заболеваний, как диабет, артрит или рак. Однако синтез искусственных версий этих белков – трудоемкий и длительный процесс. Он требует доставки генов белков в клетки бактериальных или дрожжевых культур, которые действуют как живые фабрики, производя, к примеру, инсулин или гормон роста.
Альтернативный подход к производству белка, впервые предложенный в 1960-х годах Брюсом Меррифилдом, который позже был удостоен Нобелевской премии по химии. Его принцип состоит в поэтапном «нанизывании» аминокислот. Существуют 20 аминокислот – «строительных блоков», которые используются живыми клетками для создания белков, и, комбинируя их, можно получать нужные белки. Однако поскольку большинство белков в организме человека содержат до 400 «строительных блоков», а химические реакции, которые нужны для добавления одной аминокислоты в пептидную цепь, длятся около часа, этот процесс занимает слишком много времени.
«Амидатор»: 2,5 минуты вместо часа
Значительно ускорить его удалось ученым из лаборатории Пентелюте (Массачусетский технологический институт, США)[1], которые изобрели быстрый метод выполнения этих реакций, основанный на технологии под названием химия потока. Разработанный ими автоматический синтезатор пептидов, который исследовательская группа прозвала «Амидатор», способен объединить сотни аминокислот, всего за несколько часов.
Как только пользователь вводит желаемую аминокислотную последовательность, аминокислоты закачиваются в правильном порядке в модуль, где они кратковременно нагреваются до примерно 90 C, чтобы сделать их более химически реактивными. После активации аминокислоты попадают в камеру, где они добавляются к растущим пептидным цепям.
Формирование каждой пептидной связи занимает в среднем 2,5 минуты (для сравнения естественная рибосома может включать 9 аминокислот в полипептидную цепь в секунду). При этом исследователи могут продуцировать белковые цепочки длиной до 164 аминокислот, включая ферменты и факторы роста. Так, им удалось синтезировать бактериальный белок cортазу А, содержащий 164 аминокислоты. Они также произвели проинсулин, предшественник инсулина с 86 аминокислотами, и фермент, называемый лизоцим, который содержит 129 аминокислот.
Нужный белок должен быть очищен и затем свернут в правильную форму, что добавляет еще несколько часов к общему процессу синтеза. Все очищенные синтезированные белки были получены в миллиграммовых количествах, составляя от 1 до 5% от общего выхода. А их детальный анализ показал, что их функции сопоставимы с функциями их встречающихся в природе аналогов.
Практическое применение новой технологии
Способность быстро генерировать любую желаемую последовательность белка поможет значительно удешевить и ускорить разработку лекарств, например, персонализированных противораковых вакцин на основе пептидов или новых белковых антибиотиков. Новая технология также позволяет включать в белки аминокислоты, отличные от тех 20, которые кодируются ДНК живых клеток, что значительно расширяет структурное и функциональное разнообразие потенциальных белковых лекарств.
Исследователи работают над дальнейшим совершенствованием технологии, чтобы она могла собирать белковые цепи длиной до 300 аминокислот. Они также намерены полностью автоматизировать весь производственный процесс, чтобы после синтеза белка этапы расщепления, очистки и складывания также происходили без вмешательства человека.
Использованы фото Shutterstock/FOTODOM UKRAINE
- N. Hartrampf, A. Saebi, M. Poskus, Z. P. Gates, A. J. Callahan, A. E. Cowfer, S. Hanna, S. Antilla, C. K. Schissel, A. J. Quartararo, X. Ye, A. J. Mijalis, M. D. Simon, A. Loas, S. Liu, C. Jessen, T. E. Nielsen, B. L. Pentelute. Synthesis of proteins by automated flow chemistry. Science, 2020; 368 (6494): 980 DOI: 10.1126/science.abb2491
