虽然COVID-19疫苗使许多人接触到基于RNA的药物，但RNA寡核苷酸已经在市场上用于治疗杜氏肌营养不良症和淀粉样变性等疾病多年。与传统的小分子药物相比，RNA疗法具有许多优势，包括它们能够处理细胞内几乎任何遗传成分，并引导CRISPR等基因编辑工具到达目标。
然而，核糖核酸的前景目前受到全球快速增长的需求超过该行业生产能力的限制。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过程。
化学合成方法也受到核苷酸构建块范围的限制，它们可以结合到RNA分子中，并且它们会产生大量有毒的化学副产品，造成环境危害并限制工厂的生产能力。这些问题只会随着RNA产量的增加而增加。
哈佛大学Wyss研究所和哈佛医学院(HMS)的一组科学家已经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治疗的设计空间，并释放了化学合成无法实现的快速放大的潜力。
他们的新方法可以利用水和酶，而不是目前困扰制造业的有毒溶剂和爆炸性催化剂，以相当的效率和纯度生产RNA。它还可以结合目前在RNA药物中发现的所有常见分子修饰，并有可能结合新型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。
“随着对RNA药物的需求持续增长和更多产品进入市场，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，”共同第一作者Jonathan Rittichier博士说，他是Wyss和HMS的前博士后研究员。他和其他第一作者、前威斯研究科学家丹尼尔·维根(Daniel Wiegand)， m.s.c.e.;Wyss Core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补充说:“以这种规模向世界提供RNA药物需要一种可再生的水合成模式的转变，我们相信我们的专有酶技术将实现这一转变。”
一种更好、更环保的方式
在丘奇的实验室里，Rittichier、Wiegand和共同通讯作者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，并假设他们可以对RNA做同样的事情。
科学家们从一种酵母菌(Schizosaccharomyces pombe)中的酶开始研究，这种酶可以将核苷酸分子连接在一起，形成RNA链。他们设计了这种酶，使其更有效，能够将非标准核苷酸结合到RNA中。这对于建立一个有用的药物开发平台尤其重要，因为每一种经fda批准的RNA药物都含有经过修改的核苷酸，以增加其在体内的稳定性或赋予其新的功能。
然后他们把注意力集中在核苷酸本身。在标准的化学RNA合成中，核苷酸被添加了“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被破坏。
为了使RNA发挥作用，这些保护基团必须在合成后被移除，而这个过程需要额外的一轮化学反应，这些化学反应会在RNA被构建时破坏它。EnPlusOne合成的温和条件消除了任何笨重的气泡包装的需要，最终导致更好的制造。
但即使它解决了一个问题，该团队的酶也带来了一个不同的问题:它的自然活性会不受控制地将核苷酸串在一起，导致不准确的RNA序列。为了解决这个问题，他们用一种“阻滞剂”来修饰核苷酸，这是一种化学基团，可以阻止酶，一次只允许添加一个核苷酸。一旦加入所需的核苷酸，阻断剂被移除以允许序列中的下一个核苷酸结合，从而产生两步过程，比典型的四步化学合成方法更简单，试剂密集度更低。
研究人员证明，他们的新工艺以95%的效率结合了核苷酸，这与化学合成相当。然后，研究小组反复重复酶促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，这是许多畅销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改其自然存在的核苷酸。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。
“天然RNA是由a、U、C和g四个字母组成的，但我们可以用合成生物学来扩展这个简单的字母，”HMS的博士后研究员库鲁说。“我们的过程基本上增加了我们‘RNA打字机’上的键的数量，使我们可以用更丰富的字母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，当时它被去风险并准备商业化。
酶促核苷酸合成技术作为化学合成方法的替代方案具有许多优点。该平台可以帮助以可持续的方式释放RNA治疗的巨大潜力，特别是为CRISPR/Cas基因编辑制造高质量的指导RNA分子，”共同通讯作者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可用于治疗多种疾病的小干扰rna (sirna)。
“RNA药物为一系列疾病提供了强有力的新治疗方法。然而，目前这些药物的制造方法是有限的，因为它们可以生产的化学多样性，可以以合理的成本生产的材料数量，以及它们对环境的负面影响，因为它们需要苛刻的化学物质。“EnPlusOne优雅的生物酶合成替代方案提供了一种克服所有这些限制的方法，并可能帮助RNA治疗行业实现爆炸式增长，”Wyss创始董事、医学博士Don Ingber说。
《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和Dominic Rainone。Lee和Ahlstedt也是EnPlusOne的联合创始人。
