蛋白纯化技术革命，蛋白质药物成本将大幅下降

制造蛋白质药物, 例如如抗体或胰岛素，最昂贵的步骤之一是纯化步骤，即从用于生产蛋白质的生物反应器中分离蛋白质。这一步骤可占制造蛋白质总成本的一半。

为了帮助降低这些成本，麻省理工学院的工程师们设计了一种新的方法来进行这种净化。他们的方法是使用专门的纳米颗粒来快速结晶蛋白质，这将有助于使蛋白质药物更加廉价和容易获得，尤其是在发展中国家。

图1. 一种微流体装置将蛋白质溶液与纳米颗粒结合，然后形成数千个微小的、相同的液滴。在每一个微滴中，蛋白质与纳米粒子相互作用，形成蛋白质晶体。

这项工作使用生物偶联功能化纳米颗粒作为模板，在低浓度下增强蛋白质晶体的形成。目标是降低成本，使这种药物制造在发展中国家变得负担得起。

研究人员证明，该方法可以用来结晶溶菌酶（一种抗微生物酶）和胰岛素。他们相信该方法也可以应用于许多其他有用的蛋白质，包括抗体药物和疫苗。

蛋白质纯化

现在，生物制剂类药物越来越多，而抗体和其他蛋白质药物是其中的的一部分。生物制剂也包括DNA和RNA等分子，以及细胞治疗。大多数蛋白质药物是由大型生物反应器中的酵母等活细胞产生的。

一旦这些蛋白质产生，它们就必须从反应器中分离出来，这通常是通过一种叫做色谱的过程来完成的。色谱法根据蛋白质的大小来分离蛋白质，需要专门的材料，这使得该过程非常昂贵。

MIT的工程师们决定尝试一种基于蛋白质结晶的不同方法。研究人员经常将蛋白质结晶以研究其结构，但这一过程对于工业应用来说过于缓慢，而且在低浓度的蛋白质下也不能很好地工作。为了克服这些障碍，研究人员开始使用纳米结构来加速结晶。

在之前的工作中，该实验室使用纳米小的特征来制造防水材料或修改界面，以添加高粘性生物药物。在这种情况下，研究人员希望调整纳米粒子，使其能够局部增加表面蛋白质的浓度，并提供一种模板，使蛋白质正确排列并形成晶体。

图2. 蛋白快速结晶

图2，上部，蛋白质在被称为生物偶联物的分子功能化的纳米颗粒上更快形成晶体。底部的纳米颗粒没有生物偶联分子。      资料来源：麻省理工学院

为了创造他们所需要的表面，研究人员用被称为生物偶联物的分子来涂覆金纳米颗粒，这些分子可以帮助在其他分子之间形成连接。在这项研究中，研究人员使用了被称为马来酰亚胺和NHS的生物偶联物，它们通常用于标记研究中的蛋白质或将蛋白质药物附着到药物递送纳米颗粒上。

当蛋白质溶液暴露于这些包被的纳米颗粒时，蛋白质在表面积聚并与生物偶联物结合。此外，生物偶联物迫使蛋白质与特定的方向对齐，为额外的蛋白质提供了一个支架，使其与晶体结合。

研究人员用溶菌酶和胰岛素证明了他们的方法，溶菌酶是一种结晶特性已经被充分研究过的酶。该方法也可以应用于许多其他蛋白质。

这是一种通用的方法，也可以扩展到其他系统。如果你知道你试图结晶的蛋白质结构，那么你就可以添加正确的生物偶联物，以迫使这一过程发生。

蛋白质快速结晶

在对溶菌酶和胰岛素的研究中，研究人员发现，与裸纳米颗粒或无纳米颗粒相比，当蛋白质暴露于生物偶联物涂层纳米颗粒时，结晶发生得更快。研究人员发现，有了涂层粒子，晶体开始形成所需的诱导时间减少了七倍，成核速度增加了三倍，这就是晶体一旦开始生长的速度。

即使在低蛋白浓度下，也看到这些生物偶联功能化纳米颗粒形成了更多的晶体。功能化纳米颗粒大大缩短了诱导时间，因为这些生物偶联物为蛋白质结合提供了一个特定的位点。而且由于蛋白质是对齐的，它们可以更快地形成晶体。

此外，该团队使用机器学习分析了数千张晶体图像。蛋白质结晶是一个随机过程，因此需要有一个庞大的数据集，才能真正测量该方法是否可以改善结晶的诱导时间和成核率。由于要处理的图像太多，机器学习是能够确定每个图像中晶体何时形成的最佳方法，而无需对每个图像进行人工计数。

这一项目是比尔和梅琳达·盖茨基金会资助生产药物项目的一部分，例如在临床试验中证明可以预防疟疾的预防性抗体，这些药物在发展中国家更为广泛。

麻省理工学院的团队现在正在努力改进这一过程，以便将其用于工业生物反应器，并证明它可以与单克隆抗体、疫苗和其他有用的蛋白质一起工作。

如果这一技术能够成功商业化，那么世界上的每一个人都会受益。

麻省理工学院研究生Caroline McCue是这项研究的主要作者，该研究于2月28日发表在ACS应用材料与界面杂志上。亨利·路易斯·吉拉德博士也是该论文的作者。

更多信息：Caroline McCue et al, Enhancing Protein Crystal Nucleation Using In Situ Templating on Bioconjugate-Functionalized Nanoparticles and Machine Learning, ACS Applied Materials and Interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.2c17208

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