蛋白质是如何恢复生物活性的？

　　

　　技术要点：让变性失活、结构乱掉的蛋白质恢复活性，重新折叠成正常的结构

　　织毛衣需要按照特定的方法缠绕毛线才能成形，要得到具有功能的蛋白质，也需要适当的折叠过程。当蛋白质周围的物理、化学环境不理想时，蛋白质便会变性，失去原有的功能——就好像织物的编法被打乱，毛线成了杂乱无章的线团。

　　在科研和技术实践中，人们通常将各种“纺毛线”的活交给大肠杆菌或者酵母代劳：通过基因重组“布置任务”之后，它们会大量表达目标蛋白质——这些产品被称为“重组蛋白”，利用大肠杆菌生产的胰岛素就是其中的典型代表。由于重组蛋白的生产流程简单可控、产量大，且在正确构象下与“原生”蛋白几乎没有差异，这种技术大大减少了相关研究和应用里的时间和物力投入。事实上，重组蛋白表达技术每年在工农业、医药和环境领域占据的市场份额已经达到了160亿余美元。

　　然而，由于这样的“毛衣”并不是在它们习惯的细胞环境中生产出来的，所以一些肽链在折叠组装的过程中难免会出错，成为没有功能的“乱线团”，进而聚集为沉淀或者包含体(inclusion body)。这个过程与蛋白质在不理想的环境下变性类似，例如蛋清受热凝固，失去生物活性。可想而知，“毛衣”变成“乱线团”的现象会造成人力物力的损失。改善重组蛋白的折叠，也因此成为了研究热点。

　　在这个被称为“熟鸡蛋变生”的研究中，美国加州大学尔湾分校(University of California, Irvine)和澳大利亚西澳大学(University of Western Australia)的研究者们，实际上是研发出了一套能更快更好地促进聚沉重组蛋白在体外发生再折叠的技术——换句话说，他们将沦为“乱线团”的蛋白质重新变回成品“毛衣”。

　　韦斯和欧文的试验

　　在他们的实验中，韦斯和他的同事首先将蛋清置于90℃的水中，直至其中蛋白质变质凝结。然后他们将另一种蛋白质溶解，使其充分液化，接下来登场的是一个被称为“涡流”(vortex fluid)的设备，它是由韦斯在澳大利亚弗林德斯大学同事发明的，“涡流”可以借助微流体薄膜中的剪切力将蛋清的蛋白质重新塑造成未纠缠前的形态。

　　研究者以3种不同的蛋白为示例对技术进行了说明，这些蛋白分别是小窝蛋白-1(caveolin-1)、蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和鸡蛋清溶菌酶(hen egg-white lysozyme，HEWL)——咦，鸡蛋清溶菌酶，似乎真的跟“鸡蛋”搭上边了。

　　物理学家们经常拿煮鸡蛋的比喻来解释热力学第二定律，定律中说，在任何封闭的系统中，熵——即系统的混乱程度，总是增加的。举个例子，如果我们拿起一个鸡蛋猛晃，之后再想将蛋黄和蛋清重新分开是不大可能的，因为这需要鸡蛋中的状态从无序状态转化为一种相对有序的状态。

　　乍看起来，韦斯的试验似乎违背了这个定律，因为生鸡蛋处于一种比熟鸡蛋更稳定的状态，实验的中过程会使熵减少。但是实际上，鸡蛋重获新“生”过程中以内能的形式生成熵，从而抵消了过程中减少的熵，韦斯如此解释道。因此，系统中的熵仍然是增加的。

　　抛开物理学不谈，研究者称，新“生”技术可能在药学和生物医学等领域大放异彩。蛋白质形成的时候，经常错误的折叠成无用的形式，但是如果科学家们可以将它重新展开，在药物研发过程中就可以省一大笔钱。

　　韦斯说，使用传统方法恢复折叠错误的蛋白质即昂贵又费时。与之相对的，他的新“生”技术仅需要几分钟——比从前的方法快了几千倍。

　　例如，制药公司通常使用昂贵的仓鼠卵巢细胞制造癌症抗体，其原因就是通过这种方法产生的折叠错误的蛋白质较少。研究者称，如果这些公司可以使用较廉价的酵母菌或者大肠杆菌来生产蛋白质，癌症的治疗费用就会降低很多。

　　而且，从这项新发明中获益的将不仅仅是制药工业。研究者们说，奶酪和其他产业亦可以从新“生”技术中得到好处。他们还补充道，加州大学的欧文已经提出了专利申请，并且已经接触了潜在的商业合作者。

　　蛋白质

　　重组蛋白的再折叠，和鸡蛋的“蛋白”

　　设法让变性蛋白质重新折叠的技术并不是没有，但它们大多费时费力。比如，用高浓度尿素将蛋白质完全变性溶解(解开“线团”)后，再用数升溶液进行数天的透析来慢慢除去尿素，等这些蛋白质一点点折回正确的样子。而这项研究里，研究者们利用涡流装置(vortex fluid device，VFD)对蛋白质包含体悬浊液进行旋转处理，从而产生剪切力，将“乱线团”快速拆开，辅助蛋白质进行再折叠。

　　转速足够高时，液体会均匀贴壁。根据不同蛋白的性质，通过调整转速来调节液体内的剪切力大小，便能实现包含体的解构和蛋白再折叠。

　　为了测试这套技术的本领，研究小组确实用了蛋清——不过可不是你想的那样。他们将蛋清用磷酸缓冲液稀释后，在90℃下煮了20分钟，得到了所谓的“熟鸡蛋清”。随后，他们用高浓度的尿素将这份“乱线团”给溶了，再利用VFD技术处理使其中的蛋白再折叠。对其中鸡蛋清溶菌酶(hen egg-white lysozyme，HEWL)活性的测定表明，哪怕只旋转2.5分钟，这些溶菌酶也能正确地折叠回来，恢复大部分活性。对于这些溶菌酶而言，它们的确可以说是从熟鸡蛋中的状态回到了生鸡蛋中的状态。

　　相比之下，分子量大的蛋白质也更难恢复活性。不过，尽管应用面仍有限制，但相比于耗费数天的透析，这项技术的“重织毛衣”速度显然快得多，而且反应在室温下就能进行。这对科研圈和生物技术产业而言都是个好消息。

　　经过分析解读，这项进展的原貌和现实意义就比较清楚了：实验本身并不涉及直接把熟鸡蛋变生，“返生熟鸡蛋”也只是一种对实验原理的通俗概括。这项技术可没办法让你餐桌上的熟鸡蛋回到烹饪前，但它确实有潜力让生物公司和实验室以省时省力省钱的方式，将重组蛋白更快更好地变成正确的样子。