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医疗探索取得全新进展,蛋白质“从头设计”成为可能

20多种氨基酸按不同比例组合,形成链状氨基酸。它们的线状分子间存在化学作用力,能在不到一秒时间内折叠成3D形状,最终形成人体内不同种类、性质、功能的蛋白质。

蛋白质是构成细胞的基本有机物,也是生命活动的主要承担者。一位体重60kg的成年人,体内约有9.6~12kg蛋白质。

蛋白质的形成与改造

20多种氨基酸按不同比例组合,形成链状氨基酸。它们的线状分子间存在化学作用力,能在不到一秒时间内折叠成3D形状,最终形成人体内不同种类、性质、功能的蛋白质。

医疗探索取得全新进展,蛋白质“从头设计”成为可能

人们可以通过改造蛋白质分子的氨基酸残基,改善蛋白质的功能和性质;也可以对其结构进行拼接组装,获得全新的蛋白质分子。当然还有一种方案,那就是完全从头设计具备新功能的蛋白质,但多年以来,人工设计蛋白质始终是难以实现的世界难题。

目前,这道横亘在生物医学与蛋白质结构间的壁垒,正在被天才科学家David Baker的团队逐渐瓦解。经过长达25年的探索研究,科学家发现了氨基酸长链如何折叠成三维蛋白质,并设计合成了非天然蛋白质,这些蛋白质将在医药、建材等不同领域发挥作用。

几家蛋白质工程初创公司

医疗探索取得全新进展,蛋白质“从头设计”成为可能

Synthorx是开发癌症和自身免疫疾病疗法的生物科技公司,该公司通过改变DNA序列,使细胞中蛋白质可生产多达172个不同氨基酸。跨国药企赛诺菲在去年下半年以25亿美元的价格收购了Synthorx。他们开发的Synthorins“优化生物制剂”,在肿瘤学领域和解决自身免疫疾病方面具有广阔的前景。

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华盛顿大学蛋白质设计研究所(IPD),成立于2012年,至少获得5600万美元融资,用于设计并改造蛋白质,以应对21世纪医学、能源和技术挑战。 2017年,IPD成功设计了四个新的合成折叠蛋白。

目前,他们正在与安进(Amgen)等行业领导者合作,并获得了3500万美元融资,在今年春季被武田以3.3亿美元的价格收购,研究将人造蛋白质用于各种用途,包括抗击流感病毒、分解食物中麸质,以及检测部分阿片类药物等。

医疗探索取得全新进展,蛋白质“从头设计”成为可能

Neoleukin Therapeutics(NLTX)生物制药公司,是一家市值4.4亿美元的上市公司。该公司致力于设计蛋白质疗法的开发和对应商业业务,解决免疫肿瘤、炎症和自身免疫方面等医疗需求。旗下计算平台能设计全新蛋白,可治疗癌症、炎症和自身免疫缺陷等严重疾病。

医疗探索取得全新进展,蛋白质“从头设计”成为可能

西雅图的初创公司Cyrus Biotechnology,已获得1130万美元的公开资金,开发了世界领先的蛋白质工程平台Rosetta。这是第一款经过实验证明,可通过计算设计全新蛋白质的软件。它的合作伙伴包括巴斯夫,哈佛医学院,扬森制药和Illumina等公司。

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蛋白质设计公司Arzeda,已获得1520万美元的资金。该公司每周设计、制造和测试超过10,000种蛋白质,将其应用于农业技术微生物到食品甜味剂等。这些蛋白质起着生物催化剂的作用,用于加速化学反应。

医疗探索取得全新进展,蛋白质“从头设计”成为可能

Alpha Bio成立于2017年,获得美国国家科学基金会(National Science Foundation)资助,并在2019年9月获得440万美元融资,用于开发合成生物学平台AlphaSeq。它梳理了数百万种蛋白质相互作用机制,以探索部分疾病可行治疗方案。

Zymergen和Ginkgo Bioworks:两家市值超过十亿美元的生物学初创公司。致力于利用AI驱动自动化设备,对微生物进行工程化改造。业务涵盖农业、化学品、材料、药品、电子科技,家具与工业品、个人护理与废物处理等领域,致力于将生物技术引入消费市场。

结论

使用AI促进蛋白质开发应用,是探索蛋白质重新设计的一种前沿方式。这听起来非常酷炫,也是基础医疗科学的一大进步。据科学家预估,10-15年内,几乎所有用于行业技术的蛋白质都可能被“改写”与“换新”,从头设计蛋白质的时代或将来临,并长期、广泛的造福于人类社会。

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