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为研究小型节肢动物毒液药用潜力，研究人员评估异源表达和无细胞系统，为毒液研究开辟新途径。
在动物的世界里，毒液是一种神奇而又危险的存在。许多动物利用毒液进行捕食、防御和避免竞争，这些毒液中含有的毒素（主要是多肽）经过漫长的进化，成为了自然界中最有效的物质之一。从能产生强力镇痛物质的箭毒蛙，到含有可用于降血压成分的蛇类毒液，动物毒液早已展现出了巨大的药用价值，像卡托普利（Capto pril）、齐考诺肽（Ziconotid）和艾塞那肽（Exenatid）等药物，都是基于动物毒液开发而来的。
然而，尽管动物毒液潜力巨大，但目前人们对它们的了解还非常有限。这主要是因为大多数有毒动物属于小型且种类繁多的节肢动物，比如昆虫、蜘蛛和蝎子等。这些小动物能产生的毒液量极少，使得传统研究方法难以对其进行深入探究。为了突破这一困境，深入挖掘动物毒液的药用潜力，来自德国吉森弗劳恩霍夫分子生物学和应用生态学研究所（Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte ?kologie）的 “动物毒液组学（Animal Venomics）” 研究团队开展了一系列研究，相关成果发表在《BIOspektrum》杂志上。
研究人员采用的主要技术方法包括现代系统生物学方法和生物技术手段。其中，生物技术手段重点研究了两种毒素生产平台，即细菌细胞作为生产平台（涉及异源表达技术）和无细胞系统作为潜在未来技术。通过这些技术，研究人员对动物毒液中的毒素进行生产、分析和功能研究。
细菌细胞作为生产平台
研究人员采用的一种重要毒素生产方法是在细菌中进行异源表达（heterologous expression）。细菌因操作简单、可扩展性强以及拥有大量成熟的实验室操作流程，成为了理想的生产载体。而且，节肢动物毒素除了二硫键外，很少有翻译后修饰，部分修饰还能用特殊的细菌菌株来实现。
在异源生产毒素的过程中，研究人员首先构建质粒载体，载体中包含毒素的氨基酸序列、融合伙伴以及六组氨酸标签，并且按照所选细菌的密码子使用偏好进行设计。将毒素作为融合蛋白生产，能保证操作安全，因为毒素在与融合伙伴结合时是无活性的。融合伙伴还能帮助蛋白质折叠和提高溶解性，而六组氨酸标签则方便后续通过亲和层析进行纯化。
研究人员将构建好的质粒转化到不同的表达菌株中，并在不同条件下培养，以此来筛选最佳的生产菌株和生产条件。近年来，研究团队与高校和企业合作，成功建立了一套完善的在细菌中生产动物毒液的技术体系，首次制备出了多种新型毒素，包括黄蜂蜘蛛的 CAP 蛋白、蚂蚁和甲壳类动物的神经毒素以及蝎子的抗菌毒素等。最近，他们还发现蜘蛛毒液中除了纯粹的毒素，酶也发挥着重要作用，目前正在构建一个表达平台，用于生产漏斗网蜘蛛和隐居褐蛛的各种蛋白酶。
无细胞系统作为未来技术？
虽然异源表达技术有诸多优势，但也存在一些缺点，比如建立生产体系可能需要数月时间，且生产菌株只能在专业实验室中处理。相比之下，无细胞系统则利用细胞裂解物，这些裂解物包含了其来源生物体蛋白质表达机制的所有成分。只需加入质粒或基因片段，就能在几小时内实现蛋白质生产。由于使用细胞裂解物不会产生基因改造生物，大多数实验室都能开展相关工作。而且，无细胞系统操作简便，可以同时进行多个实验，有望提高生产效率。
研究团队对无细胞系统在生产动物毒素方面的潜力进行了评估。他们首先研究了多种原核和真核无细胞系统生产隐居褐蛛毒素的能力，结果发现只有少数系统能够产生该毒素，而且产量很低，蛋白质折叠也受到限制。不过，研究人员成功证明了所生产毒素的生物活性，这表明尽管存在上述限制，利用无细胞系统生产具有生物活性的蜘蛛毒素在理论上是可行的。
为了进一步探索无细胞系统的应用范围，研究团队进行了一项更广泛的筛选实验，测试了来自不同生物体的 30 种毒素，包括昆虫、蜘蛛、蠕虫和爬行动物的毒素。最终，成功生产出了 4 种毒素，分别是眼镜蛇的两种细胞毒素、蝎子和蜘蛛的磷脂酶 D。
研究结果表明，无细胞表达系统原则上可用于生产动物毒素，但在实际应用中还需要进行优化，比如提高产量和改善蛋白质折叠等问题。目前，商业化的无细胞系统还不能满足研究需求，研究团队正在努力开发针对动物毒液的优化无细胞系统。
综上所述，动物毒液蕴含着巨大的生物医学潜力，但要充分开发这些潜力，还需要建立新的生物技术方法。研究团队通过对异源表达和无细胞系统的评估，为在实验室规模生产多种动物毒液成分提供了可能。这些新技术将有助于人们深入了解动物毒液的化学多样性、生物学功能及其应用潜力，为未来基于动物毒液的药物研发和生物医学研究开辟新的道路。未来，随着技术的不断优化和完善，动物毒液有望在医药领域发挥更大的作用，为人类健康带来更多福祉。
