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  在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院和其他研究机构的研究人员构建出微小的包含将DNA翻译为蛋白所需的所有分子复合体的冻干颗粒(freeze-dried pellets),这可能成为按需生产药物和疫苗的基础。相关研究结果近期发表在Cell期刊上,论文标题为“Portable, On-Demand Biomolecular Manufacturing”。论文第一作者为加拿大多伦多大学助理教授Keith Pardee、麻省理工学院医学工程与科学研究所博士后Shimyn Slomovic、美国哈佛大学怀斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)研究员Jeong Wook Lee和哈佛大学怀斯生物启发工程研究所技术研究员Peter Nguyen。

这些颗粒含有从细胞中提取出的几十种酶和其他分子,能够在室温下更长时间地保存。一旦加入水和冻存的DNA,这些颗粒开始产生这种DNA编码的蛋白。

论文通信作者、麻省理工学院医学工程与科学研究所生物工程系医学工程与科学教授James Collins说,“它是一种模块化系统,能够经编程后在现场制造你需要的什么。你可能有上百个不同的DNA颗粒供你在现场添加。”

Collins说,这些直径在几微米的颗粒可能轻松地被士兵、航天员或前往偏远地区的卫生保健工作者携带。

无细胞的蛋白合成

Collins和合成生物学领域的很多其他人之前设计出细胞来执行它们正常时不会拥有的很多功能,如产生药物或生物燃料。在过去几年,Collins已证实这种设计也能够在细胞外通过提取必需的细胞组分并且在纸张或其他材料上冻干它们来开展。

Collins说,“这些不含细胞的提取物由几十种酶、DNA和RNA以及核糖体和其他导致转录和翻译发生的分子复合体组成。”

在这项新的研究中,研究人员将这种纸张拿走:仅仅将这些细胞提取物冻干成至少在一年时间内保持稳定的颗粒。为了激活蛋白产生,他们加入水以便让这些颗粒复水,同时加入冻干的DNA编码来所需的蛋白。

这种方法可能被用来产生一系列产物,包括药物和可能被用来诊断疾病的分子。在这项新的研究中,研究人员产生能够被用作一种白喉疫苗的小分子蛋白,以及有潜力抵抗细菌感染的抗菌肽。

研究人员也对这些颗粒进行编程来产生形成一种多步骤代谢通路中的酶,其中这种通路合成一种复杂的被称作紫色杆菌素(violacein)的药物。紫色杆菌素具有抗癌活性和抗生素活性。

诊断应用而言,研究人员使用这些颗粒产生几种不同的抗体,包括一种能够检测艰难梭菌的抗体,其中艰难梭菌能够导致结肠产生炎症。

容易储存

这种方法可能比使用活的细胞更容易产生生物药品,这是因为这些冻存的组分容易储存和运输,因而它们不需在冰箱中冷藏。

美国西北大学化学与生物工程副教授Michael Jewett(未参与这项研究)说,“Collins和同事们描绘出冻存的不含细胞的生物制造平台能够被用来按需合成治疗试剂、疫苗、生物化学试剂同时不需要一种冷供应链的未来。通过将工厂生产移动到第一线,我们可能能够提供如今不可能获得的药物。”


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