Nature：无细胞生物合成如何加速疫苗开发？

“细胞并不是真的想制造可持续的产品，从进化的角度来看，这并不是它们的主要目标。”

为了使这个过程更有效率，科学家们打开（或裂解）活细胞以提取感兴趣的分子，留下其他成分。

1907 年，德国化学家爱德华·布赫纳 (Eduard Buchner) 因使用无细胞酵母裂解物来证明发酵的生物化学的工作而获得了诺贝尔化学奖。大约半个世纪后，美国国立卫生研究院的研究人员使用无细胞细菌提取物破译了遗传密码。

那么，为什么生物制造在利用该技术方面进展缓慢？部分原因在于惯性。“人们花了很长时间才意识到我们不需要活的有机体来进行复杂的新陈代谢，进行复杂的分子重排，甚至制造复杂的蛋白质。”斯坦福大学（Stanford University）的化学工程师 James Swartz 说道。

近日，Nature发布了一篇题为“无细胞过程如何加速疫苗开发”的文章。

（来源：Nature）

如今，越来越多的生物制造公司采用无细胞生物合成策略，这种方法不是依靠酵母或细菌来制造生物分子，而是除去细胞中使其“活着”的所有组成部分如长链 DNA 等，并将剩下的部分冷冻干燥。然后，科学家们可以用水对干燥的材料进行再水化，并加入核酸，对分子机器进行编程，以便根据需要制造出无限的蛋白质。

德国马克斯·普朗克陆地微生物研究所（The Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology）的微生物生理学家 Tobias Erb 将这一过程比作使用商业蛋糕粉：只需加水和烘烤。

对伊利诺伊州埃文斯顿西北大学（Northwestern University in Evanston）的化学和生物工程师 Michael Jewett 来说，这个策略更像是打开汽车的引擎盖，拆掉发动机，然后重新利用它来驱动钻头。

几十年来，研究人员一直在使用无细胞系统进行生化反应，主要是在实验室进行研究。现在，由于在可靠性和规模方面的进步，无细胞合成正在成为从诊断传感器开发到疫苗生物制造等领域的主要技术。

按需提供蛋白质，加速疫苗开发

今年 1 月，FDA 授予 Vaxcyte 的 24 价肺炎球菌结合疫苗（PCV）VAX-24 突破性疗法认定。

VAX-24 通过让人体接触与载体蛋白相连的细菌糖类——即所谓的蛋白结合疫苗，诱发对肺炎链球菌的免疫反应。由美国制药巨头辉瑞生产的市场领先的 PREVNAR-20 也有类似的设计。但是，PREVNAR-20 的蛋白结合物是从细菌中提纯的，而 VAX-24 中的蛋白结合物是通过生物化学方法——无细胞生物合成策略构建的。

（来源：Nature）

位于加州南旧金山的 Sutro Biopharma 公司是 Vaxcyte 的合作伙伴，其依靠无细胞生物合成技术设计、发现和合成治疗癌症的蛋白质，包括向特定细胞输送药物或识别两种抗原而不是一种抗原的抗体，以及称为细胞因子的免疫系统蛋白。

Tierra Biosciences 则使用无细胞生物合成创造一切，从用于药物发现和临床试验的定制蛋白质到用于筛选和研究的肽库。据了解，从客户上传蛋白质序列到收到目标产品，仅需要几周的时间。

位于伊利诺伊州埃文斯顿的 Stemloop 与前面两家公司不同，该公司不生产药物，而是使用无细胞系统从称为转录因子的 DNA 结合蛋白中创建生物传感器，并希望将其应用至治疗传染病、检测饮用水中的重金属，以及其他更广泛的领域。

▲图丨无细胞工艺可用于制造检测水中污染物的生物传感器（来源：西北大学）

尽管信使 RNA 技术取得了快速进步，但世界上大多数疫苗都是由蛋白质结合物制成，它们使用多糖-蛋白质组合来引发免疫反应。

如今，无细胞系统变得更加高效且更具成本效益，这得益于外围技术的进步。其中一个关键进步涉及存储，研究人员不需要冷藏和复杂的冷链，而是可以无限期地储存大多数无细胞制剂，并根据需要对它们进行再水化。这为该技术提供了更高的速度和灵活性，这些特点也是全球疫苗供应链所急需的。

尽管如此，挑战依然存在

使得无细胞系统如此受欢迎的简单性也使关键的蛋白质修饰变得复杂，包括碳水化合物的附着（糖基化）和由分子伴侣辅助的折叠。在将无细胞技术用于生物制药制造和其他应用之前，需要克服这些障碍。

受按需建立治疗方法和生物传感器的可能性的吸引，美国陆军去年 3 月拨款 1300 万美元，资助西北大学一个新的无细胞生物制造研究所，由 Jewett 领导。其目标是解决持续存在的成本、产量和可重复性问题，以促进无细胞系统的更广泛使用。

例如，抗体已成为许多制药公司的生计，使用无细胞方法合成这些分子的能力将是“游戏规则的改变者”。但即使是最简单的抗体，对于现有的无细胞平台来说仍然过于复杂，无法解决。

该技术没有不能合成抗体的根本原因，但科学家们尚未弄清楚如何合成。

（来源：Nature）

部分问题在于折叠，许多复杂的蛋白质需要其他称为伴侣的蛋白质才能达到它们的最终形式。

还有一个棘手的问题是糖基化。人类一半的蛋白质都带有控制蛋白质活性的碳水化合物基团。来自细菌的无细胞系统缺乏向蛋白质添加糖的机制，而哺乳动物细胞提取物可以添加所需的和不需要的化学修饰。DeLisa 和其他研究人员正在为细菌无细胞提取物开发特定的糖基化模块，这将使研究人员能够保持对过程的控制并保持其准确性。

另一个障碍是目前无法在分子水平上跟踪无细胞反应，仅能在最后显示是否成功。

不过，即使克服了这些障碍，无细胞合成也可能永远无法完全取代基于细胞的合成，因为一些公司已经优化了生产设施，使得基于细胞的合成变得更容易和更便宜。

尽管无细胞系统表面上看起来很简单，但它仍然非常复杂，目前还无法有效地对其进行建模和放大。但随着无细胞系统的发展，其已在生物制造工具集中占据了一席之地，并为研究人员提供了一个新的且越来越有吸引力的选择。