人工合成蛋白质

1824年,德国化学家维勒在进行金属氰化物和氨水的研究时意外地发现:当氰化物和氨水相互作用时,经水浴加热,冷却后容器底部出现了一些白色沉淀物。这种沉淀物是氰酸铵,它在一定条件下可转化成尿素。这项研究开启了人工合成有机物的大门。

1845年,维勒的学生柯尔伯成功地用空气、氢气、氯气、木炭等无机物合成了有机物醋酸。1854年,法国化学家贝泰罗合成了脂肪。1861年,俄国化学家布特列洛夫合成了糖类。

1866年,俄国化学家丹尼列夫斯基尝试用氨基酸“装配”蛋白质。与此同时,德国生物学家费雪也痴迷于用氨基酸“装配”蛋白质的研究,并合成了含18个氨基酸的肽链。

然而,人工合成蛋白质是十分复杂的。研究人员不仅仅要把许多氨基酸连接起来,还要考虑氨基酸的排列顺序,后者是科学家要攻克的难点。20世纪40至50年代,英国化学家马丁和辛格发明了“纸层析法”,可测定蛋白质中氨基酸的组成和比例。1945年,英国生物学家桑格发明了二硝基酚衍生物试剂(DNP),专门针对胰岛素分子的整条肽链开展深入研究,用10年时间终于测得了胰岛素中氨基酸的排列顺序。

1959年,美国生物化学家梅里菲尔德等人发明了一项新的多肽合成技术——固相肽合成法。梅里菲尔德因这项新技术而荣获1984年诺贝尔化学奖。利用这一技术,科学家将要合成多肽链的第一个氨基酸的碳端通过共价键与树脂连接,再以该氨基酸的氮端为合成起点,将其脱去氨基保护基后与第二个氨基酸进行反应,多次重复操作之后,就可获得想要的多肽。肽是氨基酸以肽键连接在一起而形成的化合物,是蛋白质水解的中间产物。由两个氨基酸分子脱水缩合而成的化合物叫作二肽,由三个或三个以上氨基酸分子组成的肽叫多肽。

1958年,我国科学家开始人工合成蛋白质的研究,他们的合成对象是胰岛素。这是当时唯一被科学家解析出化学结构的蛋白质,它是由含有51个氨基酸的两条多肽链构成的。当时,国际最高水平的研究小组只能人工合成含有19个氨基酸的多肽。由此可见,合成含有51个氨基酸的胰岛素的难度很大。

经过不断探索和努力,我国科学家钮经义等人于1965年率先合成了具有高度生物活性的牛胰岛素。科学鉴定表明,人工合成牛胰岛素的结构、生物活性、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。这项成果轰动了世界,中国人在世界上首次实现了人工合成蛋白质。

胰岛素的合成开辟了人工合成蛋白质的新时代。多肽激素与类似物的合成,为我国多肽合成制药工业打下了牢固的基础,也是我国在蛋白质合成方面为世界作出的杰出贡献。

生物体内天然蛋白质的合成是一项十分复杂的工程,它需要经过以下过程:基因→表达(转录、翻译)→形成具有氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→实现生物功能。

如果能在生物体外人工合成蛋白质,尤其是以无机物为原料来合成蛋白质,就可以帮助解决天然蛋白质短缺的问题。在人工条件下,利用含碳或氮的无机物大规模合成蛋白质,被学术界认为是蛋白质合成的前沿技术,一直是科学研究的热点。

2021年10月30日,中国农业科学院饲料研究所发布了一项重大科技成果:该所研究人员在全球范围内首次实现了从一氧化碳到蛋白质的合成,所合成蛋白质的营养性与安全性均达到较高的商业要求。这对提升我国饲料生产及安全保障水平,弥补我国饲料蛋白来源的最大短板,落实中国“双碳”目标无疑具有十分重要的意义。更令人惊喜的是:该技术成果已走出实验室,形成万吨级工业产能。

这项成果的创新点是以无机物为原料制造新型饲料蛋白——乙醇梭菌蛋白。科学家以分离于兔子肠道的乙醇梭菌为发酵菌种,以含一氧化碳和二氧化碳的工厂尾气和氨水为主要原料,通过液态发酵培养、离心、干燥等过程,就可获得乙醇梭菌蛋白。

人工合成乙醇梭菌蛋白颠覆了传统的蛋白质生产模式,比种植植物生产蛋白质的效率高数万倍,产物中的蛋白质含量高达80%以上。这项成果是具有完全自主知识产权的原创性成果,有利于开辟低成本非传统动植物资源生产优质饲料蛋白质新途径,也有利于推进优质蛋白质工业化生产,具有重大的科学价值和现实意义。中国农业科学院饲料研究所戴小枫所长评价道:“将无机的氮和碳转化为有机的氮和碳,制造新型饲料蛋白资源乙醇梭菌蛋白,对确保我国粮食安全、经济安全和绿色可持续发展具有重大意义。”

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