制造RNA药物的更好方法：酶合成法在消除有毒副产物的同时扩展了能力

虽然新冠肺炎疫苗为许多人引入了基于RNA的药物，但RNA寡核苷酸已在市场上上市多年，用于治疗杜氏肌营养不良和淀粉样变性等疾病。与传统的小分子药物相比，RNA疗法具有许多优势，包括它们能够解决细胞内几乎任何遗传成分，并将CRISPR等基因编辑工具引导到靶点

然而，RNA的前景目前受到一个事实的限制，即快速增长的全球需求超过了该行业的制造能力。化学合成RNA的标准方法是在20世纪80年代发明的，需要专门的设备和劳动密集型的工艺

化学合成方法在可以结合到RNA分子中的核苷酸构建块的范围方面也受到限制，并且它们会产生公吨的有毒化学副产品，造成环境危害并限制工厂的生产能力。随着RNA产量响应需求而增加，这些问题只会增加

哈佛大学Wyss研究所和哈佛医学院（HMS）的一个科学家团队为这个问题创造了一个解决方案：一种新的RNA合成过程，扩大了RNA治疗设计空间，并释放了化学合成无法实现的快速扩大的潜力

他们的新方法可以使用水和酶，而不是困扰当前制造业的有毒溶剂和爆炸性催化剂，以与当前行业标准相当的效率和纯度生产RNA。它还可以结合当今RNA药物中发现的所有常见分子修饰，并有可能将新的RNA化学物质用于新型疗法

今天发表在《自然生物技术》上的一篇论文描述了这一成就

“随着RNA药物需求的持续增长和更多产品的上市，我们将超过目前全球乙腈的供应，乙腈是化学RNA合成方法中使用的有机溶剂，”Wyss和HMS的前博士后研究员、共同第一作者Jonathan Rittichier博士说。他和另一位第一作者、前Wyss研究科学家Daniel Wiegand，M.S.H.E。；Wyss核心教员George Church博士和其他人共同创立了EnPlusOne Biosciences，将他们的技术商业化

Rittichier补充道：“以这样的规模向世界交付RNA药物需要向可再生的水性合成模式转变，我们相信我们专有的酶技术将实现这一转变。”

在Church的实验室里，Rittichier、Wiegand和合著者Erkin Kuru博士认识到制药行业正处于RNA革命之中。该实验室之前设计了一种使用酶合成DNA的方法，并假设它们可以对RNA做同样的事情。

科学家们从一种酵母菌株粟酒裂殖酵母中的一种酶开始，这种酶可以将核苷酸分子连接在一起形成RNA链。他们改造了这种酶，使其更有效，能够将非标准核苷酸掺入RNA中。这对于构建一个有用的药物开发平台尤为重要，因为每一种经美国食品药品监督管理局批准的RNA药物都含有从原始形式改性的核苷酸，以提高其在体内的稳定性或赋予其新的功能

然后他们专注于核苷酸本身。在标准的化学RNA合成中，核苷酸中添加了“保护基团”：一种化学气泡膜，可以防止分子在恶劣的反应条件下受损

为了使RNA发挥作用，这些保护基团必须在合成后被去除，而这一过程需要一轮额外的化学反应，这可能会在RNA构建过程中对其造成损害。EnPlusOne合成的温和条件消除了对任何笨重气泡膜的需求，最终实现了更好的制造。

但即使它解决了一个问题，该团队的酶也引入了另一个问题：它的天然活性会不受控制地将核苷酸串接在一起，导致RNA序列不准确。为了解决这个问题，他们用一种“阻断剂”修饰了核苷酸，阻断剂是一种阻止酶的化学基团，一次只允许添加一个核苷酸。一旦添加了所需的核苷酸，就会去除阻断剂，使序列中的下一个核苷酸结合，从而形成一个两步过程，该过程比典型的四步化学合成方法更简单，试剂强度更低

研究人员证明，他们的新工艺以95%的效率掺入核苷酸，与化学合成相当。然后，该团队迭代地重复酶促RNA合成的循环，以构建长度为10个核苷酸的分子。他们现在通常能够构建23个核苷酸长的分子，这是许多重磅RNA疗法的大小

从分子到药物

将RNA转化为有用药物的关键是修饰其天然存在的核苷酸。该团队还证明，他们的酶合成方法可以成功地产生具有多种修饰核苷酸的RNA链，其能力与天然核苷酸相同

HMS博士后研究员Kuru说：“天然RNA由四个字母组成——A、U、C和G——但我们可以用合成生物学来扩展这个简单的字母表。”。“我们的过程本质上增加了我们‘RNA打字机’上的按键数量，使其成为一个更丰富的字母表，我们可以用它来编写具有新功能和特性的RNA。”

这项工作为2019年和2020年Wyss研究所的验证项目奠定了基础，当时该项目已经降低了风险并为商业化做好了准备

“酶促核苷酸合成技术作为化学方法的替代品具有许多优势。该平台可以帮助以可持续的方式释放RNA疗法的巨大潜力，特别是制造用于CRISPR/Cas基因编辑的高质量指导RNA分子，”合著者Church说，他也是HMS的Robert Winthrop遗传学教授

EnPlusOne还利用其平台在实验室规模上制造小干扰RNA（siRNA），可用于治疗多种疾病

Wyss创始董事Don Ingber，医学博士，博士说：“RNA药物为各种疾病提供了一种强大的新治疗方法。然而，目前这些药物的制造方法在它们可以产生的化学多样性、以合理的成本生产的材料量以及它们所需的苛刻化学物质对环境的负面影响方面都是有限的。EnPlusOne优雅的生物启发酶合成替代品提供了克服所有这些局限性的方法，并可能有助于RNA治疗行业的爆发。”《自然生物技术》论文的其他作者包括Ella Meyer、Howon Lee、Nicholas J.Conway、Daniel Ahlstedt、Zeynep Yurtsever。还有多米尼克·雷诺内。Lee和Ahlstedt也是EnPlusOne的联合创始人 More information: Template-independent enzymatic synthesis of RNA oligonucleotides, Nature Biotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41587-024-02244-w

Journal information: Nature Biomedical Engineering , Nature Biotechnology