合成生物學讓“吃餅乾治糖尿病”成為可能

北京大學藥學院教授劉濤團隊與華東師範大學葉海峯團隊利用合成生物學技術開發出了一種新細胞，植入這種工程細胞的糖尿病小鼠，只要吃下特定的氨基酸餅乾，就能提高胰島素水平，進而降低血糖。

吃塊餅乾治糖尿病？這個很多“糖友”夢寐以求的情景出現在近日的國際頂級期刊《自然·化學生物學》上——北京大學藥學院教授劉濤團隊與華東師範大學葉海峯團隊利用合成生物學技術開發出了一種新細胞。在他們的研究中，植入這種工程細胞的糖尿病小鼠，只要吃下特定的氨基酸餅乾，就能提高胰島素水平，進而降低血糖。

“這是首次將基因密碼擴展技術用於細胞治療。”論文通訊作者之一的劉濤告訴科技日報記者，吃下餅乾的小鼠只需要90分鐘就能降糖，和注射胰島素起效時間相當。

吃餅乾吹響胰島素生產開工號

在“糖友”體內產生胰島素，光靠吃“餅乾”就可以嗎？其實不是，餅乾只是一把鑰匙。

論文通訊作者之一、華東師範大學生命學院研究員葉海峯解釋，生物體內有3個不編碼氨基酸的密碼子（也叫終止子，其功能是終止蛋白質翻譯），通過人為改造可以讓其中一個只聽“餅乾”的命令。

於是，改造過的密碼子就有了雙重身份——餅乾裏特殊的人工氨基酸一來，密碼子配對，開啓胰島素的翻譯過程，特殊的人工氨基酸一走，密碼子還是“終止子”，整個流水線關閉。這才有了吃餅乾合成胰島素的完整治療過程。

給人工氨基酸開條“專線快遞”

但是問題又來了，餅乾裏的氨基酸在自然界裏找不到，那自然也找不到匹配的運送系統。“原來負責轉運氨基酸的信使RNA都有自己的密碼子，就像京東物流負責運送京東的貨物、順豐快遞負責運送順豐的貨物、圓通快遞負責運送圓通的貨物一樣，現在多出來一個非天然的‘快遞單’怎麼辦呢？”劉濤打了一個很形象的比方，為了解決這個問題，合成生物學又出手了。

“我們給人工氨基酸開通了一個‘專線快遞’。”劉濤説，一種人工的合成酶能夠把非天然的氨基酸送到“快遞員”手上，即通過氨酰化反應，把非天然氨基酸與特定的轉運RNA連接起來，將它直送到胰島素的“裝配生產線”上。

經過一系列“神操作”，餅乾裏的非天然氨基酸有如神助地直接成為生物體內胰島素的重要組成部分。

這種“專線快遞”的正規名稱叫“生物正交”，是指人造反應不會被機體內源的“元件”識別，也不干擾內源的生物化學過程。也就是説，胰島素的整個製造過程不會干擾到其他生命活動。

未來控制血糖或變得輕鬆簡單

“利用我們的技術，只需要濃度為每升納摩爾級別的非天然氨基酸，給藥1分鐘就足以激活系統，表達釋放胰島素。”劉濤説，這種非天然氨基酸與很多功能飲料中添加的成分類似，對人體非常友好。

動物試驗研究顯示，將改造過的工程細胞經材料包裹後植入小鼠皮下，給小鼠餵食含有非天然氨基酸的餅乾，可以在一個月內穩定且有效地降低小鼠血糖。一系列動物安全性實驗也表明，服用一個月有效劑量的非天然氨基酸後，小鼠並未出現明顯的體重減低或其他生化指標的改變。

“或許某一天，只需要每天飯前服用一粒非天然氨基酸藥物，或食用含有非天然氨基酸成分、適合糖尿病患者的食物，就可以控制血糖了。”劉濤説。

浙江大學藥學院院長顧臻教授在論文同期刊發的評論中認為，通過合成生物學方法創建工程細胞進而產生治療性蛋白質，是解決包括胰島素在內的蛋白質分子穩定性差、生物半衰期短及其不受控釋放等挑戰的、極具吸引力的替代方法。