近日，美国能源部布鲁克海文国家实验室和哥伦比亚大学的一组科学家展示了一种生产大量受体的方法，这种受体是导致COVID-19的病毒SARS-CoV-2在人体细胞表面结合的受体。现在病毒刺突蛋白与人类“ACE2”受体之间的结合是病毒感染的第一步。在小鼠细胞中制造功能性人类ACE2蛋白给科学家们提供了一种研究这些受体的新方法，并有可能将它们投入使用。此外，正如刚刚发表在《Virology》期刊上的一篇论文所描述的那样，这种方法可以促进其他被证明难以通过其他方式产生的复杂蛋白质的研究。
布鲁克海文实验室的科学家们在疫情早期的最初目标是制造大量的人类ACE2，然后将这种蛋白质附着在纳米颗粒上。然后可以测试ace2包被的纳米颗粒作为抗病毒治疗药物和/或作为检测病毒颗粒的传感器。
布鲁克海文实验室病毒学家Paul Freimuth与布鲁克海文实验室功能纳米材料中心(CFN)的科学家合作领导了这项研究，他说:“对于这些应用中的任何一种，你都需要大量的蛋白质，而且蛋白质必须具有完整的功能。”“但是制造像ACE2这样的功能性膜蛋白特别具有挑战性，因为蛋白质在细胞膜上定位的过程很复杂。”
一个原因是这些蛋白质在合成后和插入细胞膜之前以各种方式被修饰。特别是，添加到蛋白质中的碳水化合物分子在长蛋白质链如何折叠成最终的3D结构以及蛋白质如何在膜中发挥作用方面起着关键作用。
“碳水化合物约占ACE2蛋白质量的三分之一，”Freimuth说。
科学家用来人工合成蛋白质的最简单的细胞，即细菌，缺乏附着这些碳水化合物附加物的酶。因此，布鲁克海文的研究小组转向了老鼠的细胞，作为哺乳动物，老鼠更像我们，因此能够进行同样的碳水化合物处理。众所周知，小鼠细胞擅长拾取和表达“外来”基因。虽然小鼠细胞也会产生ACE2受体，但小鼠版本的这种蛋白质不会与SARS-CoV-2刺突结合。这意味着科学家们将有一个简单的方法来观察小鼠细胞是否产生人类ACE2蛋白——通过观察刺突是否与细胞结合。
ACE2基因的发现和表达
为了增加小鼠细胞整合并正确读取人类ACE2基因的机会，研究小组使用了完整的基因。人类和其他“高等生物”的基因除了编码构成蛋白质的氨基酸的DNA序列外，还包含大量信息。这些额外的信息有助于调节细胞染色体内的基因结构和功能。
科学家们搜索了作为人类基因组计划的一部分而生成的克隆DNA片段文库，找到了包含完整ACE2基因的片段，并完成了其嵌入的调控信息。人类基因组计划是美国能源部资助的一项努力，旨在绘制出人类所有基因的位置。然后，他们将小鼠细胞暴露在涂有这种DNA片段和另一种蛋白质基因的纳米颗粒中，这种蛋白质使细胞对致命的抗生素具有抵抗力。
“在这种情况下，纳米颗粒充当DNA递送剂，被细胞吞噬，这样DNA就有可能整合到小鼠细胞染色体中，”Freimuth说。“为了找到携带外源基因的细胞，我们将抗生素添加到细胞培养中。那些不能吸收和表达抗生素抗性基因的细胞死亡，而那些获得抗生素抗性的细胞存活下来并生长成菌落。”
科学家们将其中大约50个菌落扩展到单个培养中，然后对它们进行测试，以确定有多少菌落也携带了人类ACE2基因并产生了人类受体蛋白。
检测蛋白质产量
“大约70%的耐抗生素菌落在细胞表面表达人类ACE2蛋白，”Freimuth说。“进一步的分析表明，这些菌落平均含有28份人类ACE2基因。”
重要的是，小鼠细胞保留了“外源”ACE2基因拷贝，并在至少90代细胞中持续制造由这些基因编码的人类ACE2蛋白。
细胞产生的人类ACE2蛋白水平通常与整合到小鼠基因组中的ACE2基因拷贝数成正比。一些克隆的小鼠细胞产生的ACE2是正常小鼠细胞的50倍。
科学家们使用了多种方法来测试小鼠制造的人类ACE2蛋白是否具有功能。其中包括证明含有COVID刺突蛋白的“假病毒”(即sars - cov -2的非致病性替代品)可以与受体结合并感染细胞。
“这些传染性试验表明，在这些小鼠细胞上表达的人类ACE2蛋白是完全有效的，”Freimuth说。
用途及影响
与此同时，来自CFN的共同作者Oleg Gang和Feiyue Teng探索了多种方法来制造富含人类ACE2的细胞外纳米囊泡，以潜在地治疗COVID-19。他们还在研究将ACE2蛋白放置在纳米颗粒上，用于治疗感染或快速检测病毒。
“基于ace2的纳米囊泡面临的挑战在于增强其对SARS-CoV-2的中和作用。我们还在寻找增强和利用ace2偶联纳米颗粒的结合敏感性和特异性的方法，使其对病毒诊断有用。这两种方法都需要未来的优化努力，”Teng说，他是CFN的一名研究助理，广泛研究了这项研究的生物学方面和潜在的基于纳米科学的应用。
“我们很高兴将纳米材料制造的进步与生物分子方法相结合，以开发新的治疗和传感策略，”Gang说，他在哥伦比亚大学担任联合职位。“这项研究使我们能够克服一些方法上的问题，因为纳米材料和生物系统需要完全不同的表征方法。我们在这里学到的东西对我们下一步加强基于纳米粒子的生物传感很重要。”
除了使重组ACE2蛋白的应用成为可能之外，这项工作还展示了一种生产多种复杂蛋白的新方法。例如，介导无数生物和疾病过程的大量细胞表面受体，以及工业上重要的蛋白质，如单克隆抗体和酶。
Freimuth说:“我们的方法是使用完整的基因和小鼠细胞，这些细胞可以适应在巨大的悬浮培养中生长，就像用于培养细菌的液体肉汤培养一样，可以促进这些蛋白质和其他重要蛋白质的大规模生产。”
这项研究得到了实验室指导研究和开发基金的支持，并使用了布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心(CFN)的资源。CFN是美国能源部科学办公室的用户设施，由科学办公室(BES)支持。
