无细胞糖基化系统 新方法可加速蛋白质药物开发

原核和无细胞表达系统无法有效进行糖基化等蛋白翻译后加工，人们不得不用更慢更高难度的哺乳动物细胞来生产蛋白质药物。美国西北大学利用新开发的无细胞GlycoPRIME系统，几个月便构建了37条糖基化途径，可产生23种不同的糖结构(18种全新结构)，并以此开发了一种借糖基化触发免疫的候选蛋白疫苗和一种借糖基化稳定的治疗抗体片段。

　　

蛋白质的糖基化——糖与蛋白质的结合——在细胞功能和蛋白质药物的开发中都起着至关重要的作用。糖结构可使这些蛋白质保持稳定，同时使蛋白质能够执行其功能。一直以来，研究人员不得不利用哺乳动物细胞的生物合成途径来构建和研究这些糖结构。而相对简单得多的原核表达系统和无细胞表达系统，则因为无法有效进行糖基化等真核蛋白质特有的翻译后加工而受限，难以用于多数蛋白质药物生产。

现在，美国西北大学工程研究人员开发出一种快速，无细胞的GlycoPRIME系统来构建和研究这些糖基化途径，有望加快蛋白质药物的开发速度，并提供一种新的、可在资源有限的情况下按需生产药物的模块化方法。

“这是一种令人兴奋的新方法，它可以通过糖基化来加速潜在药物/疫苗的设计和工程化，”领导这项研究的化学与生物工程学教授、西北合成生物学中心主任Michael Jewett说， “这将为特定应用目的而工程化生产"自然界中不存在的新蛋白质"揭开新的篇章。”结果发表在11月27日的《Nature Communications》杂志上。

发现糖基化途径的新方法

蛋白质药物包括从抗癌药（如赫赛汀）到流感疫苗和破伤风疫苗等等。开发这些药物通常需要很多年，并且需要具有高度专业设备的实验室来培养哺乳动物细胞。这些哺乳动物细胞能够产生天然糖基化蛋白，但它们生长缓慢、且可能难以进行改造，从而限制了可用的糖基化结构的数量和多样性。

Jewett实验室过去已开发的无细胞系统可以产生用于制造某些蛋白质所需的酶，但是却无法产生出糖基化蛋白质产物。Weston Kightlinger是Jewett实验室的一名博士生，他开发了一种新的方法来构建、测试和评估那些可以构建蛋白质糖基化的酶。简而言之，通过制备并混合和匹配各种酶从而发现构建所需糖结构的合适的酶。在短短几个月内，Kightlinger使用该系统构建了37条途径，产生23种不同的糖结构，其中18种从未在蛋白质上合成过。

Kightlinger将这一过程比喻为建造飞行器的过程。人们不用建造复杂且难以制造的鸟，而是建造比鸟简单得多的飞机，但可以将它们设计成能够以相同的方式飞行。他说：“我们用移液代替重建细胞。这样做，可以在几小时而不是几周内将DNA转变为糖蛋白。”

Jewett说：“我们现在可以混合搭配以建立生物合成途径，速度比传统方法快一个数量级。。。梦想是可以按需开发构建新型糖蛋白，从而开发新型蛋白质药物。”

开发疗法和疫苗的新方法

研究人员利用这一过程，开发了一种通过添加某种糖结构修饰后可以触发免疫系统的候选蛋白疫苗，还开发了一种带有糖修饰的治疗性抗体片段——这种糖修饰可以帮助在体内循环时稳定蛋白质。研究人员还计划使用文中开发的其他途径来构建各种可以针对体内某些区域的糖基化蛋白疫苗和治疗药物。该系统还可用于提供可在资源有限的环境中按需制造的、模块化生物生产平台，用于提供蛋白药物或疫苗。

Kightlinger说：“由于该系统是如此强大和简单，它可以帮助我们了解更多有关这些糖结构实际作用方式的。” “这将使我们能够优化它们，以更好地理解需要采用哪些结构。”