麻省理工学院的工程师开发了一种新方法，可以在制造蛋白质药物的同时完成纯化，有可能降低生产成本。

研究人员表示，制造过程是制造蛋白质药物中最昂贵的步骤之一。这类药物包括抗体或胰岛素。纯化包括从用于生产蛋白质的生物反应器中分离蛋白质。

根据麻省理工学院网站上的一篇文章，这一步骤可以占到制造蛋白质总成本的一半。为了降低这些成本，麻省理工学院的团队开发了一种使用特殊纳米颗粒快速结晶蛋白质的方法。这种方法可以使蛋白质药物更便宜和更容易获得，特别是在发展中国家。

研究人员证明，他们的方法可以使溶菌酶和胰岛素结晶。然而，他们认为这可以扩展到其他有用的蛋白质，如抗体药物和疫苗。

麻省理工学院的研究生Caroline McCue是这项研究的主要作者。这篇文章发表在今天的杂志上ACS应用材料与界面．亨利-路易斯·吉拉德也是一名作家，他的同行还有资深作家、麻省理工学院机械工程教授克里帕·瓦拉纳西。

“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。”说瓦拉纳西。“我们的目标是降低成本，使这种药物制造在发展中国家变得负担得起。”

蛋白质纯化过程

据研究人员称，大多数蛋白质药物是由活细胞(如酵母)在大型生物反应器中生产的。一旦产生，蛋白质必须通过层析法从反应器中分离出来。根据麻省理工学院的说法，这一步根据大小分离蛋白质，使得整个过程“非常昂贵”。

瓦拉纳西和他的同事说，研究人员经常通过使蛋白质结晶来研究它们的结构。然而，许多人认为这一过程太慢，不适合工业应用，因为蛋白质浓度低。

为了克服这个问题，实验室打算使用纳米级结构。他们希望利用纳米颗粒局部增加表面蛋白质的浓度。这也为蛋白质正确排列并形成晶体提供了模板。研究人员在金纳米颗粒上涂上生物偶联物，形成了一个表面。麻省理工学院说，这些被称为马来酰亚胺和NHS的生物偶联物最常用于标记蛋白质进行研究，或将蛋白质药物附着在药物传递纳米颗粒上。

包被的纳米颗粒允许蛋白质在表面积聚并与生物偶联物结合。生物偶联物还迫使蛋白质按照特定的方向排列。麻省理工学院的研究小组解释说，这为额外的蛋白质创造了一个支架。

瓦拉纳西说:“这是一种通用方法，也可以推广到其他系统。”“如果你知道你想要结晶的蛋白质结构，你就可以添加正确的生物偶联物，迫使这一过程发生。”

这是如何影响快速结晶的

研究人员说，在研究溶菌酶和胰岛素时，蛋白质暴露在包裹的纳米颗粒中比裸露的纳米颗粒或不含纳米颗粒“快得多”。他们观察到晶体开始形成的诱导时间缩短了七分之一。麻省理工学院表示，研究小组还观察到成核速率(晶体开始生长的速率)增加了三倍。

McCue说，即使在低蛋白质浓度下，晶体也能形成，消除了这种方法之前的一个绊脚石。

功能化纳米颗粒大大减少了诱导时间，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。因为蛋白质是排列的，它们可以更快地形成晶体，”她解释道。

麻省理工学院的工程师还使用机器学习分析了数千张晶体图像。McCue说，庞大的数据集允许团队“真正衡量”结晶的改善。

比尔和梅琳达·盖茨基金会资助了这个项目，作为生产生物药物的一部分，比如可以预防疟疾的预防性抗体。美国国家科学基金会研究生研究奖学金也为这项研究提供了部分资金。麻省理工学院的研究小组现在计划将其工艺应用于工业生物反应器。研究人员还打算在单克隆抗体、疫苗和其他有用的蛋白质上证明它的能力。

瓦拉纳西说:“如果我们能让在任何地方制造这些蛋白质变得更容易，那么世界上的每个人都能受益。”“我们并不是说，这个问题明天就能因为我们而得到解决，但这是有助于实现这一使命的一小步。”