无细胞合成生物学：革新生物医药产业的新策略
发布时间：2021-03-30 14:33
无细胞合成生物系统,能够在体外完成生命转录翻译过程,因体系灵活开放、便于控制、表达周期短、高耐受性等特点,可表达细胞系统难以表达的蛋白质。随着无细胞生物传感和体系冻干技术的不断发展,其在医药健康领域的应用不断拓展。本文综述了无细胞合成生物学在按需生物医药合成和便携式医疗检测等医药健康领域的研究进展,该体系的进一步发展有潜力实现更复杂后修饰蛋白质药物的合成、可丰富无细胞生物传感器类型并提高其灵敏性。无细胞合成生物学作为新兴工程策略,未来必将更好地应用于高通量医药蛋白质筛选、新型病原体的检测等医药健康领域。
【文章来源】：生物工程学报. 2019,35(12)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
无细胞蛋白质合成系统在医药健康领域的应用
目前，在直接控制转录和翻译的基础上，研究者们构建和发展了两种主要类型的无细胞蛋白质合成系统。一种是基于提取物的系统；另一种是纯化后的体系。理论上，任何生物体都可以作为无细胞体系中细胞提取物的来源,但最常见的细胞提取物来源是大肠杆菌、小麦胚芽、酵母细胞[17]、兔网织红细胞和昆虫细胞等。随着研究者的不断探索，近年来一些其他来源的提取物也开始被研究，包括链霉菌属物种[18]、弧菌[19]、枯草芽孢杆菌[20]、醋酸杆菌[21]、中国仓鼠卵巢细胞CHO[22]和哺乳动物细胞[23-24]等。常用原核生物提取物来自大肠杆菌，因为大肠杆菌易培养、成本低、蛋白质表达量高[25]。但是由于原核体系的折叠和翻译机制，大肠杆菌无细胞系统仍然有其固有的局限性。而真核无细胞体系，对真核蛋白的翻译后修饰和正确折叠等方面占据优势。如酵母细胞提取物在创建功能性糖基化蛋白质方面取得了进展[26]。此外，小麦胚芽无细胞体系还能够构建在生物科学和医学领域具有巨大的潜力的蛋白质微阵列[27-28]。另一种纯化后的体系包括从大肠杆菌中纯化的一系列翻译组分，包括起始因子、延伸因子(Elongation factors,EFs)、释放因子(Release factors,RFs)、核糖体回收因子、20个氨酰-tRNA合成酶(Aminoacyl tRNA synthetase,aaRS)、蛋氨酸-tRNA转化酶、核糖体等。如Shimizu等开发了一个由36种参与转录和翻译的酶组成，以及高度纯化的核糖体的完全重组的无细胞系统，称为PURE体系[29]。因此，PURE体系的蛋白质合成反应完全缺乏蛋白酶和核酸酶，减少了表达模板等DNA元件的损失，是研究生物学的一个非常强大和基础的研究工具。然而，由于PURE体系的成本高，因此以粗提物为基础的CFPS仍然是研究的首选。为了进行DNA转录和蛋白质合成，除了细胞粗提物外，系统还需要补充其他基本成分，包括DNA模板、RNA聚合酶、提供能量的底物、氨基酸、核苷三磷酸盐(Nucleoside triphosphate,NTPs)、tRNAs、辅因子和盐等。能够激活细胞提取物中促进蛋白质合成的通路是CFPS研究的关键。目前，许多研究都集中在刺激中枢代谢以促进高水平CFPS，而不是由磷酸烯醇丙酮酸(Phosphoenolpyruvate,PEP)或类似化合物驱动的昂贵的一步磷酸化反应。Calhoun等证明葡萄糖可以促进蛋白质合成[30-31]，并且他们还利用单磷酸核苷(Nucleoside monophosphate,NMPs)取代核苷三磷酸(NTPs)，在保持高蛋白质产量的同时，进一步降低了能源成本[30,32]。还有研究人员利用聚合碳水化合物，如麦芽糊精[33]和可溶性淀粉或糖原[34]作为能量底物以降低能源成本。
本文编号：3109673
【文章来源】：生物工程学报. 2019,35(12)北大核心CSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
无细胞蛋白质合成系统在医药健康领域的应用
目前，在直接控制转录和翻译的基础上，研究者们构建和发展了两种主要类型的无细胞蛋白质合成系统。一种是基于提取物的系统；另一种是纯化后的体系。理论上，任何生物体都可以作为无细胞体系中细胞提取物的来源,但最常见的细胞提取物来源是大肠杆菌、小麦胚芽、酵母细胞[17]、兔网织红细胞和昆虫细胞等。随着研究者的不断探索，近年来一些其他来源的提取物也开始被研究，包括链霉菌属物种[18]、弧菌[19]、枯草芽孢杆菌[20]、醋酸杆菌[21]、中国仓鼠卵巢细胞CHO[22]和哺乳动物细胞[23-24]等。常用原核生物提取物来自大肠杆菌，因为大肠杆菌易培养、成本低、蛋白质表达量高[25]。但是由于原核体系的折叠和翻译机制，大肠杆菌无细胞系统仍然有其固有的局限性。而真核无细胞体系，对真核蛋白的翻译后修饰和正确折叠等方面占据优势。如酵母细胞提取物在创建功能性糖基化蛋白质方面取得了进展[26]。此外，小麦胚芽无细胞体系还能够构建在生物科学和医学领域具有巨大的潜力的蛋白质微阵列[27-28]。另一种纯化后的体系包括从大肠杆菌中纯化的一系列翻译组分，包括起始因子、延伸因子(Elongation factors,EFs)、释放因子(Release factors,RFs)、核糖体回收因子、20个氨酰-tRNA合成酶(Aminoacyl tRNA synthetase,aaRS)、蛋氨酸-tRNA转化酶、核糖体等。如Shimizu等开发了一个由36种参与转录和翻译的酶组成，以及高度纯化的核糖体的完全重组的无细胞系统，称为PURE体系[29]。因此，PURE体系的蛋白质合成反应完全缺乏蛋白酶和核酸酶，减少了表达模板等DNA元件的损失，是研究生物学的一个非常强大和基础的研究工具。然而，由于PURE体系的成本高，因此以粗提物为基础的CFPS仍然是研究的首选。为了进行DNA转录和蛋白质合成，除了细胞粗提物外，系统还需要补充其他基本成分，包括DNA模板、RNA聚合酶、提供能量的底物、氨基酸、核苷三磷酸盐(Nucleoside triphosphate,NTPs)、tRNAs、辅因子和盐等。能够激活细胞提取物中促进蛋白质合成的通路是CFPS研究的关键。目前，许多研究都集中在刺激中枢代谢以促进高水平CFPS，而不是由磷酸烯醇丙酮酸(Phosphoenolpyruvate,PEP)或类似化合物驱动的昂贵的一步磷酸化反应。Calhoun等证明葡萄糖可以促进蛋白质合成[30-31]，并且他们还利用单磷酸核苷(Nucleoside monophosphate,NMPs)取代核苷三磷酸(NTPs)，在保持高蛋白质产量的同时，进一步降低了能源成本[30,32]。还有研究人员利用聚合碳水化合物，如麦芽糊精[33]和可溶性淀粉或糖原[34]作为能量底物以降低能源成本。
本文编号：3109673
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