肉毒杆菌毒素是一种强力的微生物毒素，已被美国食品及药物管理局批准用于治疗一系列疾病，如慢性偏头痛、无法控制的眨眼和某些肌肉痉挛(也可以消除皱纹)。一组研究人员来自哈佛大学和麻省理工和哈佛大学现在已经表明他们可以工程师创建一套适应性强的毒素和super-selective蛋白酶(酶减少蛋白质激活或取消激活)针对大量的疾病有关的蛋白质。发表在《科学》杂志上的研究小组的工作，可能为治疗从神经退行性变到严重炎症等多种疾病创造了新的机会。
“理论上，你可以干预的情况的数量和类型有一个很高的上限，”哈佛大学化学和化学生物学系博士后研究员特拉维斯·布鲁姆(Travis Blum)说，他是《科学》杂志那篇论文的第一作者。这项研究的顶点与最小董合作,哈佛医学院副教授大卫刘,一个核心研究所的成员和叫法变革性技术研究所的主任在广泛的医疗保健,托马斯·达德利卡伯特的哈佛大学的自然科学教授、霍华德·休斯医学研究所研究员。
他们一起取得了两个第一:他们成功地重新编程了蛋白酶，以切割全新的蛋白质目标，同时，避免回到原来的目标。他们还解决了布鲁姆所说的“生物学上的经典和经典挑战”:与大多数大型蛋白质不同，它们的肉毒杆菌毒素蛋白酶也能进入神经细胞，使它们的作用范围更广，使它们成为更有吸引力的潜在疗法。
现在，该团队可以设计出定制的蛋白酶，并根据特定的指令来切割哪些蛋白质以及如何切割。“这种能力可以使‘编辑蛋白质组’成为可能，”刘说，“以补充最近发展的编辑基因组技术的方式。”
目前的基因编辑技术通常针对慢性疾病，如由潜在的基因错误引起的镰状细胞性贫血。纠正错误，症状就会消失。但一些急性疾病，比如中风后的神经损伤，并不是由基因错误引起的。这就是蛋白酶疗法的由来:这种蛋白质可以帮助增强身体的能力，通过短时间甚至一次性的治疗，治愈神经损伤等疾病。
几十年来，科学家们一直渴望用蛋白酶来治疗疾病。抗体只能攻击体内特定的外来物质，而蛋白酶可以找到并附着在任何数量的蛋白质上，一旦结合，不仅能摧毁目标物，还能做更多的事情。例如，它们可以重新激活休眠的蛋白质。
“尽管有这些重要的特征，蛋白酶还没有被广泛采用作为人类治疗，”Liu说，“主要是因为缺乏一种技术来产生蛋白酶来切割我们选择的蛋白质目标。”
但是刘先生手头有一个技术王牌:PACE(噬菌体辅助持续进化)。这是Liu的发明，该平台可以快速进化出具有重要特征的新蛋白质。他说，PACE每天可以在人类最少的干预下进化数十代蛋白质。利用PACE，该团队首先教会了所谓的“混杂”蛋白酶，即那些天然针对广泛蛋白质的蛋白酶，停止切割特定的目标，变得更有选择性。当这一方法成功后，他们转向了更大的挑战:教蛋白酶附着在一个完全陌生的目标上。
“一开始，”Blum说，“我们甚至不知道用这些蛋白酶进化它们或者教它们分裂新东西是否可行，因为这是以前从未做过的。”(“这从一开始就是个登月计划，”刘氏实验室前成员、论文作者之一迈克尔·帕克(Michael Packer)说。)但是蛋白酶的表现超出了研究小组的预期。随着步伐的加快，他们从三种肉毒杆菌毒素中进化出四种蛋白酶;这四家公司在它们的原始目标上都没有检测到活性，并以高水平的特异性(从218倍到1100多万倍)切割它们的新目标。蛋白酶也保留了它们进入细胞的重要能力。Blum说:“你最终会得到一个强大的工具来进行细胞内治疗。”“理论上”。
“理论上”是因为，虽然这项工作为许多具有新功能的新蛋白酶的快速生成提供了坚实的基础，但在这些蛋白酶用于治疗人类之前，还需要做更多的工作。还有其他的限制:这些蛋白质不是治疗慢性疾病的理想方法，因为随着时间的推移，人体的免疫系统会将它们视为外来物质，并攻击和消除它们。虽然肉毒杆菌毒素的寿命比细胞中大多数蛋白质的寿命都长(最长可达3个月，而典型的蛋白质的生命周期是数小时或数天)，但研究小组进化出的蛋白质寿命可能会更短，这可能会降低它们的有效性。
尽管如此，由于免疫系统需要时间来识别外来物质，蛋白酶可能对临时治疗有效。而且，为了避免免疫反应，研究小组还在寻找进化其他种类的哺乳动物蛋白酶，因为人体不太可能攻击类似于自身的蛋白质。因为他们的工作在肉毒杆菌蛋白酶如此成功,该小组计划继续修补,也意味着继续与最小盾富有成效的合作,他们不仅具有所需的疾病控制中心(CDC)的许可使用肉毒杆菌毒素,但提供了潜在的医学应用的临界角度对蛋白酶和目标。
“在一个理想的世界里，”布鲁姆说，“我们可以考虑用这些毒素从理论上切割任何感兴趣的蛋白质。“它们只需要选择接下来要对付的蛋白质。
这项研究得到了国家生物医学成像和生物工程研究所、国家普通医学科学研究所、国家神经疾病和中风研究所、巴罗斯·惠康基金会、霍华德·休斯医学研究所和Ipsen生物创新研究所的支持。
