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从染色体到细胞再到组织、器官，无一不见蛋白质的身影；从DNA复制，到细胞分裂再到催化生物体内各种复杂的化学反应以及免疫反应的进行，蛋白质都必不可少。它占人体细胞去除水分后净重的50%以上，是生命活动的主要承担者。 而“多才多艺”的蛋白质是由生物体内20种氨基酸经过复杂的排列组合生成的。自然合成的蛋白质虽然种类很多，但相较于20种氨基酸不同的排列组合总数来说，还只是很小的一部分，宛如茫茫沙漠中的一粒沙。因此，蛋白质除自然合成的之外，其它的庞大种类还有待开发，所以化学合成蛋白质有极大的发展空间并且有广阔的运用前景。 蛋白质的化学合成的第一步是先设想所合成蛋白质如何运用，也就是说先设想好目标蛋白质的功能并据此设计出蛋白质结构，再推导出合成这种蛋白质需要哪些氨基酸。 那么，合成蛋白质将会在哪些领域大显身手呢？ 人工合成酶 细胞内的新陈代谢离不开酶的催化，生物体内的酶只有少部分是RNA,大部分是蛋白质。生物体内的各种代谢活动都离不开酶的参与，比如你需要通过无时无刻的呼吸作用产生能量，这就离不开酶的作用。如果没有酶的参与，生物的生理活动就会变得迟缓。并且，酶具有专一性，一种酶只能催化一类反应。 事实上，科学家们已经成功合成了一种新的蛋白酶，能够在活细胞内创建新的代谢途径。这项研究不仅为人工合成酶提供了思路，还使我们对于酶的结构和作用有了更深刻的理解。此外，化学合成的蛋白酶还应用于催化医药反应过程，例如催化作用于腹腔疾病的口服药物，催化其他化学合成蛋白和引起阿尔茨海默症毒蛋白的中和反应。 目前，科学家们已经逐步理解已知生物酶大家族的基本架构，这为未来合成新型蛋白酶指明了方向。 靶向治疗搬运工 靶向治疗是目前认为在癌症治疗中最有效也是对正常细胞伤害最小的方式，而如何将药物运送到癌变部位还能保持其活性是靶向治疗中的关键步骤。最近，科学家研制出了一种载体——人工蛋白质纳米颗粒，由化学合成蛋白质与纳米颗粒相结合，用于解决这个问题。 人工蛋白质纳米颗粒结构类似于一个小容器，可以把它想象成一个胶囊，里面装载着特定的药物，同时纳米颗粒进入人体后，会不可避免地吸收人体体液中的蛋白质分子，蛋白质分子笼罩在纳米颗粒的周围，像是戴上一顶帽子，形成了纳米颗粒—蛋白质冠。到达病变细胞后，蛋白质冠会与病变细胞上的蛋白质发生反应，装载的药物会被释放出来，直接作用于病变细胞。 这种人工蛋白质纳米颗粒运载技术是一种全新的靶向药物运载技术，能够精准定位病变细胞，对其他活细胞没有毒副作用。值得一提的是科学家已经成功合成一种治疗脑疾病的蛋白质纳米粒子，能够穿透血管和脑之间的“血脑屏障”，将药物直接作用于病变脑细胞处，这为脑疾病的治疗开辟了新的道路。 新型疫苗 除了药物运输，人工蛋白质纳米颗粒也是发展新型疫苗的基础。科学家们希望纳米颗粒表面的毒蛋白能够引起细胞的特异性免疫反应，为防御艾滋病病毒和流感病毒打下基础。 最近，这些合成蛋白质纳米颗粒是否能够为疫苗的保存打开一片新的天地引起了广泛关注。现在的疫苗都采用冷冻储存的方式，世界上的许多贫困地区因为条件的限制无法保存疫苗，这限制了疫苗的普及工作。而新型的人工蛋白质纳米颗粒疫苗将会具有热稳定性，在较高的温度下也能够保存，这将使全球更大的地区都能够获得并保存疫苗。 新型多肽药物 多肽药物的合成也是蛋白质化学合成的一个重要部分。多肽药物相较于传统小分子药物，具有特异性高，毒副作用小，临床成功率高等优点。一般由2个到50个氨基酸合成，相较于蛋白质药物，研发相对简单，生产成本更低。它在一定程度上弥补了大分子药物和小分子药物之间的空缺，因为同时具有大分子药物和小分子药物的优点。但是，多肽药物仍存在两个致命的缺点：难以通过细胞膜和容易被分解，这导致目前多肽药物无法成为药物市场的主流。 最近，科学家用计算机模拟了合成多肽药物及其降解过程，发现能够在引入非天然的氨基酸，让它们与天然的多肽结合，合成新的多肽链，这样的多肽能免于高温降解或化学降解。这种方法为研发新的多肽药物提供了基本架构。 合成蛋白质多用途 化学合成蛋白质的用途十分广泛，远不止上述所说的三种。 最近，科学家设计出了小型稳定的蛋白质与毒蛋白的有机化学反应。其中，有一种合成蛋白成功与病毒性糖蛋白血球凝集素反应，病毒性血球凝集素是导致流感病毒进入细胞的罪魁祸首。在小鼠的实验中，化学合成蛋白使患流感小鼠恢复了健康，同时还据具有预防流感的功效。这使得研制强效抗流感药物成为可能。同样的研制方法还应用于抗埃博拉病毒药、治疗癌症以及抗自体免疫疾病的药物研制。 除此之外，合成蛋白还应用于超级材料的制作。自然界中也存在一些超级材料，由有机物和无机物混合组成，比如鲍鱼壳，它由氧化钙和蛋白质结合而成，具有超强的硬度。很明显，蛋白质的加入改变了原本的无机物应形成的结构，对整体机构及性能产生了影响。化学合成蛋白质能够复制这一过程，即与无机物相结合，创造出更多的超级材料。例如，用合成蛋白质和无机材料交错码放制成一个超薄表面，这为制作抗腐蚀性薄膜和有机太阳能电池提供了思路。 另外，喜欢探索的科学家们正尝试用合成蛋白质制作出一个“蛋白质逻辑系统”。我们的大脑的正常高效的运作基本上完全依赖于蛋白质，有没有可能制造出一个像大脑一样的蛋白质逻辑系统，以取代现在的无机计算机系统呢？要解决这个问题，还需要对大脑的运作机制进行透彻的研究。 合成蛋白具有无限可能，随着生物技术的不断发展，身怀十八般武艺的化学合成蛋白质必定能够大展拳脚。 本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号：hdkj1997 |
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