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无细胞蛋白合成加速疫苗开发
来源:     时间 : 2023-03-22

今年1月,FDA授予细菌性肺炎球菌(Streptococcus pneumoniae)疾病疫苗VAX-24突破性疗法资格。

VAX-24由加利福尼亚州圣卡洛斯的Vaxcyte开发,通过将身体暴露于与载体蛋白(名为蛋白质结合疫苗)相连的细菌糖中,诱导对肺炎链球菌的免疫反应。由美国制药巨头Pfizer公司生产的市场领先的PREVNAR-20具有类似的设计。但是,PREVNAR-20的蛋白质偶联物是从细菌中纯化的,而VAX-24中的蛋白质偶联物是通过生物化学构建的。

Vaxcyte是越来越多的采用这种无细胞生物合成策略的生物制造公司之一。这种方法不是依靠酵母或细菌来制造生物分子,而是剥离了细胞中使其“活着”的所有成分——长串DNA、内质网,甚至是细胞膜——并冷冻干燥剩余的东西。然后,科学家可以用水对干燥的材料进行再水化,并添加核酸来编程分子机器,以根据需要制造大量的蛋白质。

德国马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所(Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology)的微生物生理学家Tobias Erb将这一过程比作使用商业蛋糕混合物:只需加水并烘烤即可。对于伊利诺伊州埃文斯顿西北大学(Northwestern University)的化学和生物工程师Michael Jewett来说,这种策略更像是打开汽车的引擎盖,拆下发动机,并重新利用它来为钻头提供动力。

Erb认为,它允许生物学变得更加化学多样化,同时,它允许化学变得更加复杂。例如,Jewett已经证明,无细胞系统中的核糖体可用于构建具有新化学骨架和蛋白质的生物聚合物。其他研究人员使用无细胞系统和非标准氨基酸合成蛋白质。

几十年来,研究人员一直在使用无细胞系统进行生化反应,但主要是在研究实验室中。现在,由于可靠性和规模的进步,无细胞合成正在成为从诊断传感器开发到疫苗生物制造的所有主要工具。

然而,挑战依然存在。使无细胞系统如此理想的简单性使其难以实现复杂却关键的蛋白质修饰,包括碳水化合物的附着(糖基化)和分子伴侣辅助的折叠。在无细胞技术可用于生物制药制造和其它应用之前,需要克服这些障碍。

但纽约伊萨卡康奈尔大学(Cornell University)的生物工程师Matthew DeLisa指出,这样做实际上只是一个工程问题。无细胞系统将蛋白质合成变成了化学问题,而不是生物学问题。

从啤酒到生物制药

从生产奶酪和面包的自然发酵过程,到可以泵出胰岛素的生物工程细胞,人们长期以来一直将细胞用作活工厂。

但高效的过程需要谨慎的平衡——生物工程师必须与细胞的内部机器竞争,后者更感兴趣的是帮助细胞生长和分裂,而不是做工业合成。

Jewett提醒,细胞并不是真的想制造可持续的产品。它们不想为我们制造胰岛素,它们不想充当诊断工具。从进化的角度来看,这不是它们的主要目标。

为了使这一过程更有效,科学家们打破(或裂解)活细胞以提取感兴趣的分子机制,而将其它成分丢弃。1907年,德国化学家Eduard Buchner因使用无细胞酵母裂解物来证明发酵的生物化学而获得诺贝尔化学奖。大约半个世纪后,NIH的研究人员使用无细菌提取物破译了遗传密码。

马里兰州盖瑟斯堡美国国家标准与技术研究所(US National Institute of Standards and Technology)细胞工程小组(Cellular Engineering Group)负责人Elizabeth Strychalski指出,无细胞生物合成既能充分利用细胞系统的潜能,又没有活细胞带来的种种麻烦和成本。

那么,为什么生物制造在采用这项技术方面进展缓慢呢?加州斯坦福大学(Stanford University)的化学工程师James Swartz提醒,在某种程度上,这完全取决于惯性。人们花了很长时间才意识到我们不需要生物体来进行复杂的新陈代谢,进行复杂的分子重排,甚至制造复杂的蛋白质。