互动科普

1990年代后期，Tillman U. Gerngross作为准终身教授来到达特茅斯大学，他想研究用植物中提取的糖来制造“绿色塑料”。他的第一个重要课题就是要对这些设想中的未来原料的成本和利润进行分析。

1999年，他在《自然生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上发表了一篇论文，详细阐述了对制造生物塑料的生产周期进行分析的结果，表明制造这些据称有利于生态环境的产品比生产意识有为原料的塑料需要更多的化石燃料。“实事求是地说，我们花费了几亿美元来开发这些用于制造绿色聚合物的技术，但最终得到的收益却根本不划算。”[参见《科学》2000年第11期Tillman U. Gerngross和Steven C. Slater的文章“绿色塑料真的环保吗？]

1999年的这篇文章备受关注，而且也激发了这位奥地利裔人的决心，去探索另一条研究路线。他后来说到：“这篇文章发表后，我便基本脱离了绿色塑料的研究工作”。 不久，它就如同他自己形容的那样，他成为一个“为批判运动贴海报的人”。由于更倾向于做一个科学家而非权威性的评论者，他意识到不应该只为反复说明一种想法而花费几十年的时间。根究竟然，在从事任何新的研究工作之前，他要先检验一下自己所选定要探求的科学问题是否真正值得去解决。

那是，人类基因组计划正进入最后的研究阶段。作为一名训练有素的化学工程师和分子生物学家，Gerngross开始关注从基因鉴定到编码和制造蛋白质过程中的所有步骤，这是生物技术中主要的治疗方法。其中蛋白质的大规模制造方法引起了他的特别注意。“我以为这种方法相当落后，过程太长，难以控制，而且有各种各样的缺点，应该找到一种更好的大规模制造蛋白质的方法。”目前通用方法是在中国仓鼠卵巢细胞或其他哺乳动物的细胞中插入一个基因，该基因表达人类的蛋白质；经过两到三周的时间，它便能产生出数量相对较少的蛋白质药物。

Gerngross想知道是否在酵母中生产人类蛋白质能取得更好的结果，“酵母能制造大量的蛋白质，但不能在蛋白质上正确地添加糖基。”在某种情况下，这些糖基能确保蛋白质正确地折叠，并保证其热力学稳定性。在于同事们交流时他突然想到，应该把设计一个生产糖基化蛋白质的工艺作为自己的研究课题，让这些蛋白质带有所期望的糖基。“大家对我说，这是一个很困难的问题，但如果你解决了，那将是大功一件。”

通常一个学术课题要申请得到政府的资金支持，然后有少数研究生着手开始工作。作为糖生物学领域的新手，Gerngross知道她无法通过传统的途径获得资金支持，而且即使得到这些钱，也要花费几年的时间才能取得鹊起的研究结果，“到那时，别人可能早已捷足先登。”

Gerngross的学校同事，达特茅斯大学工程学院的前任院长 Charles E. Hutchinson被Gerngross想法吸引住了。他告诉Gerngross，迅速开展工作的唯一方法是开办一家公司。在Hutchinson这位多次创业的老手能帮助下，一家位于马萨诸塞州沃尔瑟姆市（Waltham）的北极星风险投资公司（Polaris Ventures）对此产生了兴趣，该公司在2000年提供了60万美元资金，组建起GlycoFi（glycosylation fidelity即“忠实的糖基化”的缩写）公司，作为风险共担的交换条件，校方同意让他两人使用位于大学校园中Gerngross的实验室工地开始工作。一位以前的博士后同事，来自麻省理工学院的Stefan Wildt也参加进来。该公司不再是“纸面上的设想”，开始正式运作起来。

Gerngross和他的同事着手重新精心设计集中酵母细胞的糖基化路线。最初他们关注的是巴氏毕赤酵母（Pichia pastoris），它广泛应用于酶的工业化生产中。首先必须淘汰出酵母中编码一些酶的基因，这些酶会在人类蛋白质上错误添加糖基，而使它成为免疫细胞直接去除的目标。剔除基因到是不难，接着最大的挑战出现了，这是曾令其他研究者受挫的难题，即发明一种酶的组装线，这种酶能把适合的糖基植入到酵母细胞中以制造出人类蛋白质。以往，Kirin Brewery曾经把编码一个重要的糖基化酶的人类基因植入到酵母中，但没有取得任何结果。GlycoFi的研究小组认为，为了使这种酶起作用，必须是使它到达酵母细胞中正确的位置。研究人员把一段多肽（一小段氨基酸链）接到这种酶上，这段多肽拉链密码（Peptide zip code）随后会指令这种酶转移到酵母细胞的内质网或高尔基体上。

进而，为了帮助这些酶在细胞中找到转移至正确位置的路线，GlycoFi的研究人员开始了一向种群交叉研究，以寻找最适合完成不同类型反应的酶，这些反应被用于是人类蛋白质糖基化。这些酶并不是都是从人类细胞中筛选出来的，因为鼠类、蚕、植物或酵母中的酶比人体的类似的酶有时能更好地执行这些需要糖基化人类蛋白质的反应。表达这些最佳酶的基因，无论是人的还是鼠类的，被操纵着以表达正确的多肽拉链密码，接着植入到酵母中。

这一糖装配线运行得比原先预想的还要好，酵母并没有因内部操作受干扰而变得脆弱，这一原因至今仍未解开。GlycoFi公司最新的研究报告发表在2003年8月29好的《自然》（Nature）杂志上，宣布研制出第一个由复杂的糖分子修饰的人类蛋白质产品。

但还有更多的工作需要完成，在GlycoFi公司能提供一个比目前通常利用中国仓鼠卵巢细胞来生产蛋白质方法更好的完整的工业化生产平台前，需要进一步深入的操控酵母一把糖唾液酸加到蛋白质上，但用酵母细胞来制造人类蛋白质似乎是一项难以实现的技术。Gerngross注意到，在酵母中发酵可能只需要3天，相比而言，在人类细胞中则要2-3周时间，而且利用酵母生产出的蛋白质在数量和产品的均一性方面都达到了这项技术的预期结果。通过这些改进可以在大规模生产中降低生产成本，从而降低生物技术药品的成本。

Gerngross说道：“我们希望能生产药效持续时间更长和更好的药物，你再也不用像以前那样为取得同样的疗效而服用几种药物。GlycoFi公司还可以制造出并非简单地在哺乳动物细胞中产生的药物。Gerngross指出，利用酵母能够制造出高浓度的有准确糖基化形式的 α-1抗胰蛋白质，缺乏这种蛋白质会导致人换肝脏和肺部疾病。过去因为产率低，难以在大鼠的细胞中制造这种蛋白质。

GlycoFi公司目前有37名雇员，随着公司的发展壮大，Gerngross所在的大学实验室早已容纳不下了。该公司的新地址位于新罕布什尔州的Lebanon，这里原先是康乃狄克州参议员Joseph Lieberman在2003年7月竞选总统时的一个巡回竞选地点。该公司最近将收到第三笔风险资金，自公司成立以来，他已经获得近1.8亿美元，另外还从Biogen Idec和Baxter Healthcare等制药公司得到了一些好处，这几家公司各自向其供应特殊的蛋白质。到目前为止，究竟如何把糖植入到利用酵母制造的人类蛋白质上，看来还是个很值得解决的问题。

[丁坤善/译  赵庚新/校]