嵌入细胞脂质双层中的跨膜蛋白调控许多信号通路，并且几乎对所有生理过程都至关重要。
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位于细胞界面的膜蛋白在细胞与其相互作用环境之间的信号传导中起着关键的调控作用，这使得它们成为流行且理想的药物靶点。尽管方法学上的限制一直是药物开发的瓶颈，但新的研究工具正在为下一代针对膜蛋白的治疗药物打开大门。
Yvonne Tan博士
产品副总监
Nuclera公司
在这次创新聚焦讨论中，Nuclera公司的产品副总监Yvonne Tan探讨了eProtein Discovery™系统的微流控蛋白合成和脂质纳米盘技术如何帮助研究人员超越传统膜蛋白分析的技术限制，从基础研究到药物发现。
膜蛋白在药物发现和开发研究中的意义是什么？
膜蛋白是细胞通讯的看门人。这些蛋白质嵌入细胞的脂质双层中，调节信号传导、运输和环境感知，使其几乎对每个生理过程都至关重要。毫不奇怪，它们也是最重要的药物靶点类别之一，超过60%的已批准药物作用于膜蛋白。尽管它们很重要，但这些蛋白质仍然是最难研究的一类生物分子。
在药物发现中，目标通常是调节特定的分子功能，其中许多由膜蛋白如G蛋白偶联受体（GPCR）、离子通道和转运蛋白控制。这些蛋白质在从癌症到神经系统疾病的多种疾病中发挥核心作用。它们具有极高的治疗潜力，但在功能和结构生物学中却是探索最少的领域之一。
原因很简单：虽然膜蛋白无处不在，但它们非常难以处理。
研究人员历史上依赖哪些方法来研究膜蛋白？
研究人员历来依赖费力且间接的技术来研究膜蛋白，效果有限。传统上，研究这些蛋白质需要使用去垢剂从细胞膜中提取，随后进行耗时的纯化步骤。这些方法——通常依赖于细胞培养或表达系统，如大肠杆菌、昆虫细胞或中国仓鼠卵巢（CHO）细胞——不仅缓慢，而且容易失败。使用基于细胞的系统表达膜蛋白的一个问题是毒性。一些蛋白质天然对这些细胞系统有毒性。当细胞机制因表达高水平的目标蛋白而负担过重时，也可能产生毒性。
为什么膜蛋白如此难以研究？
即使成功表达和分离，膜蛋白在其原始脂质环境外往往不稳定，并且在细胞的水性细胞质中表达时可能形成不溶性聚集体。因此，很难以适合下游检测（如结构分析、配体筛选或功能表征）的数量和构象来纯化膜蛋白。这一瓶颈减缓了药物发现中的创新步伐。
Nuclera的新膜蛋白工作流程是什么？它如何工作？
我们已经开发了一种基于微流控的解决方案，直接应对膜蛋白生产相关的挑战。我们的最新进展——eProtein Discovery™系统的扩展——引入了一个专门的膜蛋白工作流程，使研究人员能够快速、可靠地研究这些复杂的生物分子，而无需依赖传统的基于细胞的表达系统。
我们的方法将无细胞蛋白合成与微流控技术和脂质纳米盘相结合。本质上，该工作流程共翻译地将新合成的膜蛋白整合到预先组装的纳米盘中——这些是由支架蛋白稳定的微型圆盘状脂质双层。这些纳米盘模仿了蛋白质的天然环境，保持了正确的折叠和功能。
活性膜蛋白在48小时内合成，可直接用于结合测定、结构研究或下游应用，无需去垢剂纯化或重构。
科学家如何利用eProtein Discovery™来研究膜蛋白生物学？
我们系统的能力已经在前沿研究中得到证明。例如，使用eProtein Discovery™的Nuclera科学家最近探索了人类β2-肾上腺素受体（一种典型的GPCR，也是心血管和呼吸系统疾病的关键靶点）的表达和功能分析。通过我们的系统，他们能够快速生成装载受体的纳米盘，并在同一实验中评估配体结合——提供受体-配体相互作用的实时见解。
另一个案例涉及Nuclera研究人员研究多药耐药蛋白——化疗耐药的关键参与者。这些膜结合转运蛋白使用我们的系统进行了表达和功能验证，帮助识别调节外排活性的小分子。此类发现可能为克服癌症治疗中的耐药性策略铺平道路。
这两个例子都说明了我们的膜蛋白工作流程如何实现以前无法达到的高通量、假设驱动的实验。
eProtein Discovery™系统共翻译地将新合成的膜蛋白整合到由支架蛋白稳定的微型圆盘状脂质双层中，模仿天然环境并保持膜蛋白的折叠和功能。
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关于基于微流控的膜蛋白工作流程的未来，最让你兴奋的是什么？
让我们最兴奋的是像eProtein Discovery™这样的基于微流控的系统所提供的可扩展性和可访问性。科学家不再需要花费数周时间排除表达系统的故障或纯化蛋白质。相反，他们可以将重点转移到实验、迭代和发现上。
微流控技术正在使高质量蛋白质研究的访问民主化。通过消除技术障碍和压缩时间线，这些系统正在赋予更多实验室——从学术界到生物技术公司——以前所未有的速度和精度探究膜蛋白生物学的能力。
此外，这些系统的灵活性使它们非常适合难以表达的蛋白质、罕见变体或之前成本或劳动密集型的结构-功能筛选。
参考文献
- Overington JP, et al. 有多少药物靶点？《自然综述药物发现》。2006;5(12):993-6.
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