無細(xì)胞合成生物學(xué)：革新生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的新策略
發(fā)布時間：2021-03-30 14:33
無細(xì)胞合成生物系統(tǒng),能夠在體外完成生命轉(zhuǎn)錄翻譯過程,因體系靈活開放、便于控制、表達(dá)周期短、高耐受性等特點(diǎn),可表達(dá)細(xì)胞系統(tǒng)難以表達(dá)的蛋白質(zhì)。隨著無細(xì)胞生物傳感和體系凍干技術(shù)的不斷發(fā)展,其在醫(yī)藥健康領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。本文綜述了無細(xì)胞合成生物學(xué)在按需生物醫(yī)藥合成和便攜式醫(yī)療檢測等醫(yī)藥健康領(lǐng)域的研究進(jìn)展,該體系的進(jìn)一步發(fā)展有潛力實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜后修飾蛋白質(zhì)藥物的合成、可豐富無細(xì)胞生物傳感器類型并提高其靈敏性。無細(xì)胞合成生物學(xué)作為新興工程策略,未來必將更好地應(yīng)用于高通量醫(yī)藥蛋白質(zhì)篩選、新型病原體的檢測等醫(yī)藥健康領(lǐng)域。
【文章來源】：生物工程學(xué)報(bào). 2019,35(12)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：15 頁
【部分圖文】：
無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)在醫(yī)藥健康領(lǐng)域的應(yīng)用
目前，在直接控制轉(zhuǎn)錄和翻譯的基礎(chǔ)上，研究者們構(gòu)建和發(fā)展了兩種主要類型的無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。一種是基于提取物的系統(tǒng)；另一種是純化后的體系。理論上，任何生物體都可以作為無細(xì)胞體系中細(xì)胞提取物的來源,但最常見的細(xì)胞提取物來源是大腸桿菌、小麥胚芽、酵母細(xì)胞[17]、兔網(wǎng)織紅細(xì)胞和昆蟲細(xì)胞等。隨著研究者的不斷探索，近年來一些其他來源的提取物也開始被研究，包括鏈霉菌屬物種[18]、弧菌[19]、枯草芽孢桿菌[20]、醋酸桿菌[21]、中國倉鼠卵巢細(xì)胞CHO[22]和哺乳動物細(xì)胞[23-24]等。常用原核生物提取物來自大腸桿菌，因?yàn)榇竽c桿菌易培養(yǎng)、成本低、蛋白質(zhì)表達(dá)量高[25]。但是由于原核體系的折疊和翻譯機(jī)制，大腸桿菌無細(xì)胞系統(tǒng)仍然有其固有的局限性。而真核無細(xì)胞體系，對真核蛋白的翻譯后修飾和正確折疊等方面占據(jù)優(yōu)勢。如酵母細(xì)胞提取物在創(chuàng)建功能性糖基化蛋白質(zhì)方面取得了進(jìn)展[26]。此外，小麥胚芽無細(xì)胞體系還能夠構(gòu)建在生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的潛力的蛋白質(zhì)微陣列[27-28]。另一種純化后的體系包括從大腸桿菌中純化的一系列翻譯組分，包括起始因子、延伸因子(Elongation factors,EFs)、釋放因子(Release factors,RFs)、核糖體回收因子、20個氨酰-tRNA合成酶(Aminoacyl tRNA synthetase,aaRS)、蛋氨酸-tRNA轉(zhuǎn)化酶、核糖體等。如Shimizu等開發(fā)了一個由36種參與轉(zhuǎn)錄和翻譯的酶組成，以及高度純化的核糖體的完全重組的無細(xì)胞系統(tǒng)，稱為PURE體系[29]。因此，PURE體系的蛋白質(zhì)合成反應(yīng)完全缺乏蛋白酶和核酸酶，減少了表達(dá)模板等DNA元件的損失，是研究生物學(xué)的一個非常強(qiáng)大和基礎(chǔ)的研究工具。然而，由于PURE體系的成本高，因此以粗提物為基礎(chǔ)的CFPS仍然是研究的首選。為了進(jìn)行DNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成，除了細(xì)胞粗提物外，系統(tǒng)還需要補(bǔ)充其他基本成分，包括DNA模板、RNA聚合酶、提供能量的底物、氨基酸、核苷三磷酸鹽(Nucleoside triphosphate,NTPs)、tRNAs、輔因子和鹽等。能夠激活細(xì)胞提取物中促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的通路是CFPS研究的關(guān)鍵。目前，許多研究都集中在刺激中樞代謝以促進(jìn)高水平CFPS，而不是由磷酸烯醇丙酮酸(Phosphoenolpyruvate,PEP)或類似化合物驅(qū)動的昂貴的一步磷酸化反應(yīng)。Calhoun等證明葡萄糖可以促進(jìn)蛋白質(zhì)合成[30-31]，并且他們還利用單磷酸核苷(Nucleoside monophosphate,NMPs)取代核苷三磷酸(NTPs)，在保持高蛋白質(zhì)產(chǎn)量的同時，進(jìn)一步降低了能源成本[30,32]。還有研究人員利用聚合碳水化合物，如麥芽糊精[33]和可溶性淀粉或糖原[34]作為能量底物以降低能源成本。
本文編號：3109673
【文章來源】：生物工程學(xué)報(bào). 2019,35(12)北大核心CSCD
【文章頁數(shù)】：15 頁
【部分圖文】：
無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)在醫(yī)藥健康領(lǐng)域的應(yīng)用
目前，在直接控制轉(zhuǎn)錄和翻譯的基礎(chǔ)上，研究者們構(gòu)建和發(fā)展了兩種主要類型的無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。一種是基于提取物的系統(tǒng)；另一種是純化后的體系。理論上，任何生物體都可以作為無細(xì)胞體系中細(xì)胞提取物的來源,但最常見的細(xì)胞提取物來源是大腸桿菌、小麥胚芽、酵母細(xì)胞[17]、兔網(wǎng)織紅細(xì)胞和昆蟲細(xì)胞等。隨著研究者的不斷探索，近年來一些其他來源的提取物也開始被研究，包括鏈霉菌屬物種[18]、弧菌[19]、枯草芽孢桿菌[20]、醋酸桿菌[21]、中國倉鼠卵巢細(xì)胞CHO[22]和哺乳動物細(xì)胞[23-24]等。常用原核生物提取物來自大腸桿菌，因?yàn)榇竽c桿菌易培養(yǎng)、成本低、蛋白質(zhì)表達(dá)量高[25]。但是由于原核體系的折疊和翻譯機(jī)制，大腸桿菌無細(xì)胞系統(tǒng)仍然有其固有的局限性。而真核無細(xì)胞體系，對真核蛋白的翻譯后修飾和正確折疊等方面占據(jù)優(yōu)勢。如酵母細(xì)胞提取物在創(chuàng)建功能性糖基化蛋白質(zhì)方面取得了進(jìn)展[26]。此外，小麥胚芽無細(xì)胞體系還能夠構(gòu)建在生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的潛力的蛋白質(zhì)微陣列[27-28]。另一種純化后的體系包括從大腸桿菌中純化的一系列翻譯組分，包括起始因子、延伸因子(Elongation factors,EFs)、釋放因子(Release factors,RFs)、核糖體回收因子、20個氨酰-tRNA合成酶(Aminoacyl tRNA synthetase,aaRS)、蛋氨酸-tRNA轉(zhuǎn)化酶、核糖體等。如Shimizu等開發(fā)了一個由36種參與轉(zhuǎn)錄和翻譯的酶組成，以及高度純化的核糖體的完全重組的無細(xì)胞系統(tǒng)，稱為PURE體系[29]。因此，PURE體系的蛋白質(zhì)合成反應(yīng)完全缺乏蛋白酶和核酸酶，減少了表達(dá)模板等DNA元件的損失，是研究生物學(xué)的一個非常強(qiáng)大和基礎(chǔ)的研究工具。然而，由于PURE體系的成本高，因此以粗提物為基礎(chǔ)的CFPS仍然是研究的首選。為了進(jìn)行DNA轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成，除了細(xì)胞粗提物外，系統(tǒng)還需要補(bǔ)充其他基本成分，包括DNA模板、RNA聚合酶、提供能量的底物、氨基酸、核苷三磷酸鹽(Nucleoside triphosphate,NTPs)、tRNAs、輔因子和鹽等。能夠激活細(xì)胞提取物中促進(jìn)蛋白質(zhì)合成的通路是CFPS研究的關(guān)鍵。目前，許多研究都集中在刺激中樞代謝以促進(jìn)高水平CFPS，而不是由磷酸烯醇丙酮酸(Phosphoenolpyruvate,PEP)或類似化合物驅(qū)動的昂貴的一步磷酸化反應(yīng)。Calhoun等證明葡萄糖可以促進(jìn)蛋白質(zhì)合成[30-31]，并且他們還利用單磷酸核苷(Nucleoside monophosphate,NMPs)取代核苷三磷酸(NTPs)，在保持高蛋白質(zhì)產(chǎn)量的同時，進(jìn)一步降低了能源成本[30,32]。還有研究人員利用聚合碳水化合物，如麥芽糊精[33]和可溶性淀粉或糖原[34]作為能量底物以降低能源成本。
本文編號：3109673
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