通過打開細胞膜，美國西北大學的合成生物學家發現了一種新的方法，可以將基於蛋白質的疫苗產量提高五倍，從而大大拓寬了獲得潛在救命藥物的途徑。今年2月，研究人員推出了一個新的生物製造平台，可以直接在醫療點快速製造出品質穩定的疫苗，確保它們不會因為運輸或儲存中遭遇環境條件問題而被浪費。

在新的研究中，該團隊發現用細胞膜富集無細胞提取物，這是一種製造結合疫苗所需的成分，可以極大地提高了其凍乾平台的產量。

這項工作為快速製造藥品創造了條件，以每天每升40000劑、每劑成本約為1美元的速度解決不斷增加的抗生素耐藥菌以及新病毒。按照這個速度，該團隊可以使用一個1000升的反應器（大約是一個大花園垃圾袋的大小）每天產生4000萬劑量，這意味著可以在不到一個月的時間內製作10億份。

“在COVID-19大流行的時代，我們都意識到能夠在我們需要的時候和地點製造藥品是多麼重要，”領導這項研究的西北大學的邁克爾-朱伊特說。”這項工作將改變疫苗的製造方式，包括用於生物準備和大流行病應對”。

這項研究將於2021年4月22日發表在《自然通訊》雜誌上。

Jewett是西北大學麥考密克工程學院的化學和生物工程教授，也是西北大學合成生物學中心的主任。Jasmine Hershewe和Katherine Warfel都是Jewett實驗室的研究生，是該論文的共同第一作者。

這個新的製造平台–稱為體外結合疫苗表達（iVAX）–是通過無細胞合成生物學實現的，在這個過程中，研究人員去除細胞的外壁（或膜）並重新利用其內部機器。然後，研究人員將這些被重新利用的機器放入一個試管，並將其冷凍乾燥。加水會引發化學反應，激活無細胞系統，把它變成催化劑，從而在需要的時候和地方製造可用的藥物。該平台可保持6個月或更長時間的藥品穩定性，消除了對複雜供應鍊和極端冷藏的需要，使其成為偏遠地區或低資源環境的有力工具。

在之前的一項研究中，Jewett的團隊使用iVAX平台生產共軛疫苗來預防細菌感染。他們重新利用大腸桿菌的分子機器，在一小時內製成一劑疫苗，每劑疫苗的成本約為5美元。

“Jewett說：”這還是太貴了，而且產量也不夠高。”我們設定的目標是達到每劑1美元，並在這里達到了這個目標。通過提高產量和降低成本，我們認為我們可能能夠促進更多的人獲得拯救生命的藥物。”

Jewett和他的團隊發現，達到這一目標的關鍵在於細胞的膜，在無細胞合成生物學中，膜通常被丟棄。當被拆開時，膜會自然地重新組合成囊泡，即攜帶重要分子信息的球形結構。研究人員對這些囊泡進行了表徵，發現增加囊泡的濃度可用於製造蛋白質療法的組件，如結合疫苗，其工作原理是將一個糖單元–這是一個病原體所特有的–附著在載體蛋白質上。通過學習識別該蛋白質為外來物質，身體知道如何在再次遇到它時啟動免疫反應來攻擊它。

然而，將這種糖連接到載體蛋白上是一個困難而復雜的過程。研究人員發現，細胞膜含有使糖更容易附著於蛋白質的機制。通過用這種膜結合的機械來豐富疫苗提取物，研究人員大大增加了可用疫苗劑量的產量。

研究報告的共同作者Neha Kamat說：”對於各種生物來說，接近30%的基因組被用來編碼膜蛋白，”他是麥考密克大學生物醫學工程的助理教授和細胞膜專家。”膜蛋白是生命的一個真正重要部分。通過學習如何有效利用膜蛋白，我們可以真正推進無細胞系統。