Många proteiner är användbara som läkemedel för sjukdomar som diabetes, cancer, och artrit. Att syntetisera artificiella versioner av dessa proteiner är en tidskrävande process som kräver genetiskt modifierade mikrober eller andra celler för att producera det önskade proteinet.

MIT kemister har utarbetat ett protokoll för att dramatiskt minska den tid som krävs för att generera syntetiska proteiner. Deras automatiserade flödessyntesmaskin för bordsskivor kan sätta ihop hundratals aminosyror, byggstenarna i proteiner, inom timmar. Forskarna tror att deras nya teknologi kan påskynda tillverkningen av behandlingar på begäran och utvecklingen av nya läkemedel, och tillåta forskare att designa artificiella proteiner genom att införliva aminosyror som inte finns i celler.

"Du kan designa nya varianter som har överlägsen biologisk funktion, aktiveras genom att använda icke-naturliga aminosyror eller specialiserade modifieringar som inte är möjliga när du använder naturens apparater för att göra proteiner, " säger Brad Pentelute, en docent i kemi vid MIT och seniorförfattaren till studien.

I en tidning som kommer ut idag i Vetenskap , forskarna visade att de kemiskt kunde producera flera proteinkedjor upp till 164 aminosyror långa, inklusive enzymer och tillväxtfaktorer. För en handfull av dessa syntetiska proteiner, de utförde en detaljerad analys som visade att deras funktion är jämförbar med den hos deras naturligt förekommande motsvarigheter.

Huvudförfattarna till uppsatsen är före detta MIT postdoc Nina Hartrampf, som nu är biträdande professor vid universitetet i Zürich, MIT doktorand Azin Saebi, och tidigare MIT teknisk associerad Mackenzie Poskus.

Snabb produktion

De flesta proteiner som finns i människokroppen är upp till 400 aminosyror långa. Att syntetisera stora mängder av dessa proteiner kräver att gener för de önskade proteinerna levereras till celler som fungerar som levande fabriker. Denna process används för att programmera bakterie- eller jästceller för att producera insulin och andra läkemedel såsom tillväxthormoner.

"Detta är en tidskrävande process, säger Thomas Nielsen, chef för forskningskemi på Novo Nordisk, som också är författare till studien. "Först behöver du den tillgängliga genen, och du behöver veta något om organismens cellbiologi så att du kan konstruera uttrycket av ditt protein."

Ett alternativt tillvägagångssätt för proteinproduktion, föreslog först på 1960-talet av Bruce Merrifield, som senare tilldelades Nobelpriset i kemi för sitt arbete med fastfaspeptidsyntes, är att kemiskt binda samman aminosyror på ett stegvis sätt. Det finns 20 aminosyror som levande celler använder för att bygga proteiner, och använda de tekniker som pionjärer av Merrifield, det tar ungefär en timme att utföra de kemiska reaktioner som behövs för att lägga till en aminosyra till en peptidkedja.

På senare år har Pentelutes labb har uppfunnit en snabbare metod för att utföra dessa reaktioner, baserad på en teknik som kallas flödeskemi. I deras maskin, kemikalier blandas med hjälp av mekaniska pumpar och ventiler, och vid varje steg av den totala syntesen cirkulerar de genom en uppvärmd reaktor som innehåller en hartsbädd. I det optimerade protokollet, att bilda varje peptidbindning tar i genomsnitt 2,5 minuter, och peptider upp till 25 aminosyror långa kan sättas ihop på mindre än en timme.

Efter utvecklingen av denna teknik, Novo Nordisk, som gör flera proteinläkemedel, blev intresserad av att arbeta med Pentelutes labb för att syntetisera längre peptider och proteiner. För att uppnå det, forskarna behövde förbättra effektiviteten i reaktionerna som bildar peptidbindningar mellan aminosyror i kedjan. För varje reaktion, deras tidigare effektivitetsgrad var mellan 95 och 98 procent, men för längre proteiner, de behövde vara över 99 procent.

"Rationalen var om vi blev riktigt bra på att göra peptider, vi skulle kunna utöka tekniken för att göra proteiner, " säger Pentelute. "Tanken är att ha en maskin som en användare kan gå fram till och lägga in en proteinsekvens, och det skulle binda samman dessa aminosyror på ett så effektivt sätt att i slutet av dagen, du kan få det protein du vill ha. Det har varit väldigt utmanande för om kemin inte är nära 100 procent för varje steg, du kommer inte att få något av det önskade materialet."

För att öka deras framgångsfrekvens och hitta det optimala receptet för varje reaktion, forskarna utförde aminosyraspecifika kopplingsreaktioner under många olika förhållanden. I den här studien, de sammanställde ett universellt protokoll som uppnådde en genomsnittlig effektivitet på mer än 99 procent för varje reaktion, vilket gör en betydande skillnad när så många aminosyror kopplas samman för att bilda stora proteiner, säger forskarna.

"Om du vill göra proteiner, denna extra 1 procent gör verkligen hela skillnaden, eftersom biprodukter ackumuleras och du behöver en hög framgångsfrekvens för varje enskild aminosyra som ingår, " säger Hartrampf.

Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskarna kunde syntetisera ett protein som innehåller 164 aminosyror - Sortas A, ett bakteriellt protein. De producerade också proinsulin, en insulinprekursor med 86 aminosyror, och ett enzym som kallas lysozym, som har 129 aminosyror, samt några andra proteiner. Det önskade proteinet måste renas och sedan vikas till rätt form, vilket lägger till ytterligare några timmar till den övergripande syntesprocessen. Alla de renade syntetiserade proteinerna erhölls i milligramkvantiteter, utgör mellan 1 och 5 procent av den totala avkastningen.

Medicinsk kemi

Forskarna testade också de biologiska funktionerna hos fem av deras syntetiska proteiner och fann att de var jämförbara med de biologiskt uttryckta varianterna.

Förmågan att snabbt generera vilken proteinsekvens som helst bör möjliggöra snabbare läkemedelsutveckling och testning, säger forskarna. Den nya tekniken tillåter också att andra aminosyror än de 20 kodade av DNA från levande celler kan inkorporeras i proteiner, kraftigt utöka den strukturella och funktionella mångfalden av potentiella proteinläkemedel som skulle kunna skapas.

"Detta banar vägen för ett nytt område inom proteinmedicinskemi, " säger Nielsen. "Denna teknik kompletterar verkligen det som är tillgängligt för läkemedelsindustrin, ger nya möjligheter för snabb upptäckt av peptid- och proteinbaserade bioläkemedel."

Forskarna arbetar nu med att ytterligare förbättra tekniken så att den kan sätta ihop proteinkedjor upp till 300 aminosyror långa. De arbetar också med att automatisera hela tillverkningsprocessen, så att när proteinet har syntetiserats, klyvningen, rening, och vikningssteg sker också utan att någon mänsklig inblandning krävs.