一种便携式无活细胞表达的生物合成新技术及其应用

蔡小玲，哈小琴，杨波，徐倩，曾通旭



一种便携式无活细胞表达的生物合成新技术及其应用

蔡小玲，哈小琴，杨波，徐倩，曾通旭

730050 兰州总医院检验科（蔡小玲、哈小琴、杨波、徐倩、曾通旭）；730050 兰州，甘肃省干细胞与基因药物重点实验室（蔡小玲、杨波、徐倩、曾通旭）

1 生物合成新技术概述

合成生物学将工程设计原则合理地应用于分子生物学、新的基因装置设计，在疾病的诊断和治疗的领域发挥作用[1]，如，创建全细胞生物传感器[2]，基因修饰益生菌[3]以及细胞生物分子加工厂。源自基因工程的生产细胞系基础上，生物合成已成为药品生产[4]、蛋白质疗法[5]、燃料及其他产品[6]的主流技术。然而介导细胞宿主遗传基因进行生物合成，要伴随生物安全、实际障碍、特殊性实验室限制技术的问题，并且疫苗和其他蛋白质的生产需要稳定的冷链配送，但配送成本高，也影响了偏远地区对药物制品的应用。

鉴于上述问题，一种使用冻干、无细胞（freeze drying-cell free，FD-CF）表达系统的安全基因编码工具的生物合成新技术方法产生了，其具有避免冷链运送、降低运送成本等优点[7]。该表达系统不仅保留了活细胞的基本蛋白质合成能力，而且还是无活性、无菌和便携式的平台，该平台有望成为一种新的低成本诊断工具[8]。FD-CF 系统在室温下保持长期（> 1 年）活性，操作简便，可以减少活细胞的生物合成并不受冷链配送要求的限制[9]，也可用生物合成方法合成一些便携式药物，治疗性蛋白质和其他生物分子。这充分地支持了按需以及就地生物制造的发展趋势[10-11]。简要步骤是将缓冲液、细胞活性物质和模板分子制成一个冻干反应颗粒，需要时只需要添加水激活，1 ~ 2 个小时即可得到目的产品，不需要特殊的设备和技术，如图 1 所示。

该生物技术可应用于全球健康和个性化医疗，使得大部分分子合成都可以通过冻干试剂和 DNA 编码生物合成来实现。这些直径在几微米的颗粒可轻松地被航天员、士兵或前往偏远地区的医疗工作者携带。它是一种模块化系统，能够经编程后在现场制造所需要的目的蛋白，有上百个不同的 DNA 颗粒可供选择，这些颗粒含有从细胞中提取出的几十种酶和其他分子，能够在室温下保存更长时间，一旦加入水和冻存的 DNA，便开始产生DNA 编码的目的蛋白。

2 生物合成新技术特点

2.1 便携

FD-CF 生物系统新技术是一种便携式生物制造平台，只需加入水并在常温孵化就可以激活生物反应，用来产生多种蛋白质，包括抗菌肽、疫苗、抗体等生物制剂，通过改善集中生产的不足能满足更多的需求。事实上，最近的研究报告表明，以分散的药品生产替代中心化的药物生产有着全球化的需要。此外，FD-CF 生物系统可以扩展到一系列复杂的应用中去，以满足按需治疗，并且是治疗产品分散化生产的可行性选择。

2.2 快速

FD-CF 生物系统新技术非常适用于快速生物合成，在无活细胞表达系统中，表达参数以及 DNA 编码的按需产物可以迅速地被筛选和制造。对于快速、低成本开发和在健康危机时的配送和治疗很重要[12]。

图 1 便携式生物制造平台[1]

生物分子产品对冷链配送和保存的需求增加了其成本，严重影响配送到较远或资源贫乏地区[13-14]。而该新技术在使用之前，FD-CF 试剂和编码 DNA 是互相分开的，这使其有了灵活的制造能力可以紧急应对治疗需要。在应用之前建立一个预混的或单独的分子程序，编码一个虚拟药房，需要时只需水化就可以快速制造。这个概念为疾病爆发时大批生物合成和疫苗配送提供了方法[15]。例如，当发现小批量的流行性感冒病毒亚单位疫苗的有效性变低时，可以迅速重新生产[16-18]，传统的疫苗生产很难实现这一点[19-20]。

2.3 经济

疫苗在运输过程中冷链配送费用可以占到疫苗生产成本除外的 80%[21]，使用 FD-CF 生物系统新技术的核心益处是可以在常温下运输治疗产品。同时，世界卫生组织和联合国儿童基金会估计在发展中国家疫苗损耗高达 50%，这个问题可通过FD-CF 生物系统按需生产解决，从而减少损失[22-23]。

3 生物合成新技术应用

3.1 抗菌肽

抗菌肽是一类多元化的有潜力的多肽类，它可以作为防御分子通过保护细胞和细胞内的成分抗感染。据非冻干表达的文献报道[24-25]，通过FD-CF 表达形式生产的抗菌肽可以替代使用经典的抗生素。

3.2 便携疫苗的生产

疫苗是在儿童时期预防疾病的强有力的工具之一，然而运送到偏远地区具有成本和冷链的要求。有研究者尝试使用 FD-CF 系统进行生物合成疫苗[26-27]。

3.3 按需的组合抗体类似物

抗体类似物如 DARPins 和纳米抗体是强有力的治疗药物，但其生产成本高和冷藏需要限制了产品的配送和效用。因此，通过 FD-CF 生物系统合成 DARPins 和纳米抗体亲和分子方面有重大的意义[28-29]。

基因药物在使用之前往往是液体状态，这不利于药效的稳定，也是储存和运输的一个障碍。因此，改变这种液体状态可以增加其稳定性和简化运输的过程。而“冻干”是长时间保持不稳定分子和无菌条件下储存的良好选择，这有助于疾病的治疗，在基因药物治疗上开辟了新领域。未来发展中，新技术将可以实现现场 DNA 合成，如战争或太空等条件下，可使患者得到高效诊断和治疗，并且生物指导的电子传输可以在现场实现。FD-CF 系统提供了一个新的生物制造的方法，是合成生物学的进一步创新，这种冻存的不含细胞的生物制造平台能够按需合成治疗药物、疫苗、生物化学试剂等，同时展现出一种不需要冷链供应的未来。通过将工厂生产移到第一线，我们可能会得到目前不可能获得的药物，有益于全球健康的改变。但是，该新技术的普及还需大量的实验研究证明，还待进一步的验证确认。

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哈小琴，Email：haxiaoqin@163.com

2017-11-29

10.3969/j.issn.1673-713X.2018.03.012