氨基酸是组成生命的基石，天然的氨基酸共有 20 种。根据中心法则，细胞以三个一组读取 A、T、C 和 G 来制造氨基酸，指导 20 种天然氨基酸通过各种各样的排列组合构建生命活动所必需的蛋白质。
但是，实际上生命体还存在非规范氨基酸/非天然氨基酸（ncAA）即天然氨基酸以外的氨基酸类型。现阶段，大约发现了几百种这类非天然氨基酸，包括苯丙氨酸衍生物、酪氨酸衍生物、谷氨酰胺衍生物以及半胱氨酸衍生物等。理论上讲，这些非天然氨基酸能够产生新功能的肽、蛋白质和聚合物，并衍生出一系列的新疗法和新材料。
当前，非天然氨基酸可以通过化学合成和生物合成方式生产。其中相较于化学合成法，生物合成具有更高的效率和立体选择性、更低的成本和污染等特性，因此生物合成被视为一种极具潜力的方法，比方说生物催化法。
近日，一家专注于生产新型非天然氨基酸的合成生物学初创公司 Aralez Bio 介绍了其专有的技术和公司未来的发展计划。这家生物技术公司发明了一种可合成 ncAA 的酶法工艺，可以在一个步骤中合成超过 100 种具有完美对映纯度的 ncAA，水是唯一的副产物，从而可持续生产有价值的产品。
（来源：官方领英账号）
公开资料显示，这家公司成立于 2019 年，总部位于加利福尼亚州圣莱安德罗，由加州理工学院校友以及 2018 年诺贝尔化学奖得主、化学工程、生物工程和生物化学 Linus Pauling 教授 Frances Arnold 共同创办。该公司共有 18 名员工，获得了 Climate Capital、Freeflow Ventures 以及 Good Growth Capital 等资本的支持。
加州理工校友创办，基于工程酶生产非天然氨基酸
Aralez Bio 的创始班底来自加州理工大学，包括联创兼首席执行官 Christina Boville、联创兼首席技术官 David Romney 及其导师 Frances Arnold。
Frances Arnold 开创了酶的定向进化方法，她已经参与创办了多家生物技术公司。Christina Boville 和 David Romney 曾在 Frances Arnold 实验室从事博士后研究，期间他们共同发明了 Aralez Bio 的酶平台，这是该公司的关键底层技术。
▲图 | 创始团队，从左到右分别是 David Romney、Christina Boville 和 Frances Arnold（来源：公司官网）
Christina Boville 曾被评为《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”，她在科罗拉多大学获得生物化学博士学位，然后加入加州理工学院进行博士后研究；David Romney 在耶鲁大学获得化学博士学位，主要从事氨基酸和肽合成研究，2015 年荣获理查德·沃尔夫冈化学奖。随后加入加州理工学院从事博士后研究。
两人相识于博士后研究期间，他们专注于使用工程化酶制造氨基酸分子，改造色氨酸合酶 β 亚基（TrpB）用于生产非天然氨基酸。2018 年，他们开发了一种对来自海栖热袍菌 TrpB 的工程化改造方法，可将高价值化合物蓝色荧光氨基酸 4-氰色氨酸（4-CN-Trp）的合成率从 24% 提高到 78%。
当时，研究团队表示，这种酶的定向进化方法为体内生产 4-CN-Trp 提供了可能，而且是一种更通用的方法。不限于 4-CN-Trp，还可用于高产率生产其他色氨酸类似物。
（来源：J. Org. Chem.）
正是基于这些研究，2019 年，他们共同创办了Aralez Bio，并从 Frances Arnold 的实验室中分拆出来运营，旨在利用酶的定向进化原理生产定制化的非天然氨基酸。Aralez Bio 的核心技术就是工程化 TrpB 酶，利用这种酶可将吲哚和丝氨酸衍生物转化为色氨酸衍生物。
“由于色氨酸具有反应性吲哚侧链、极性氨基酸基团及其立体中心，通过化学合成制备这些氨基酸衍生物具有挑战性。而使用工程酶制造色氨酸衍生物就像将酶与吲哚和丝氨酸或丝氨酸衍生物混合一样简单，通过形成中心 C-C 键将两个具有相似复杂性的片段结合在一起。无需保护基团即可实现高度化学和对应选择性反应。此外，反应非常温和，且副产物只有水，该路线对环境更友好。”David Romney 解释道。
Christina Boville 进一步补充道，大自然是由 20 种氨基酸构建的，然而现代化学和制药等行业需要更多氨基酸。合成非天然氨基酸具有挑战性，往往需要多步骤合成路线，每一步都会产生废物。现在我们的工程酶可以一步制造数百种高纯度的非天然氨基酸，几天内即可完成，能耗降低了 30% 以上，成本较低，更经济环保。
凭借技术的优势，该公司成立两年即开始产生收入，并在运营第一个月就拥有了客户。据这家公司透露，一家制药公司与其接洽生产 ncAA，该客户用传统方法花了九个月才能生产出来所需的化合物，而 Aralez Bio 几天就能生产相同的化合物。
开发“下一代”非天然氨基酸，计划年内产能增至 100 公斤
“非天然氨基酸是创造具有特殊化学、生物和物理特性的'下一代’产品的关键所在。然而，获取非规范氨基酸的方法一直是瓶颈，我们希望利用非天然氨基酸生物催化平台改变这一现状，开发出'下一代’非天然氨基酸。”Christina Boville 说。
根据 Christina Boville 的描述，Aralez Bio 的生物催化平台建立在三种坚实的生物技术基础之上，这些基础共同促成了可生产多种 ncAA 类型和大规模生产高纯度 ncAA。“借助我们专有的酶平台，我们能够合成经 HPLC 和 NMR 测量纯度高达 99.9% 的非天然氨基酸。”
▲图 | 比较 Aralez Bio 平台与传统非天然氨基酸生产工艺（来源：创始团队采访稿）
“具体而言，第 1 步：过去二十年不断完善的蛋白质工程技术创造了酶的多样性，酶通过对其 DNA 代码进行微小改变并选择其以高产量和高纯度合成特定氨基酸的能力进化，酶多样性等于氨基酸多样性；第 2 步，然后使用工业发酵技术生产任意规模的酶，较大的反应器可生产较大批量的酶；步骤 3，将这些酶批次用于简单的化学反应器中，实现 ncAA 的大规模生产。”
基于这一平台，该公司已经开发出了大量非规范氨基酸，为化学家提供了更多新的化学空间。根据该公司的描述，“我们早期的研究表明，专有工程酶可以通过稍微修饰起始材料制造多种色氨酸类似物。后续，我们对酶进行了改造，以生产更广泛的产品。我们现在拥有接受超过 500 个 ncAA 侧链的变体，并且 75% 的产品是我们平台独有的。”
该公司指出，利用工程酶生产的各种新型非天然氨基酸，可用于制药、调味品、农业和材料等领域。比方说，非天然氨基酸已被广泛用于制药中，多样化的 ncAA 在药物开发的各个阶段都很有用，从靶点识别到先导化合物优化，再到临床、商业规模扩大。非天然氨基酸存在于索马鲁肽等畅销肽药物以及大环化合物和抗体药物偶联物等新一代药物中。
“我们的客户包括大型制药公司，使用色氨酸衍生物作为治疗肽和其他候选药物的成分。”
David Romney 还表示，接下来会继续扩大公司规模，提升非天然氨基酸的产能。“最初开始研究工程酶之际，只是想利用酶的定向进化制造一种新型氨基酸，当时想制造 1 克级别就已经是一个重要进步了；公司的落地，一切都发生了变化，我们开始考虑生产 100 克或一公斤；随着制药行业客户的增加，我们开始继续提升工艺，产能需要达到公斤级别以上，2023 年的氨基酸生产规模扩大至 10 公斤，推出了苯丙氨酸、萘丙氨酸、D-氨基酸类似物；2024 年内，我们计划将生产规模至 100 公斤，并推进脯氨酸类似物等上市。”
素材来源官方媒体/网络新闻
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