许多生物功能都是由蛋白质三维结构形成的“锁”（受体）与完美匹配的“钥匙”（配体）之间的结合开关所调控。如果这把锁发生变形（蛋白质突变）或者出现了一把假钥匙，生物功能就会遭到破坏，从而引发疾病。药物发现研究包含一个名为“筛选”的过程，旨在寻找能够与这些受体锁钥位点匹配的化合物。
发表在《PNAS Nexus》期刊上的一篇论文中所描述的内容具有显著优势，它能大幅提高这一过程的效率，并允许处理此前难以操作的高毒性蛋白质。该基础技术涉及制造并利用每个携带单一肽（短链蛋白质）的磁珠，且整个过程无需细胞参与。
传统利用活细胞生产肽的方法存在缺陷，例如肽数量不一致导致数据不稳定。与传统方法相比，这种新方法的效率提升了十多倍。此外，它能够在高温和高盐条件下进行筛选，从而显著缩短药物开发中先导化合物发现所需的时间。具体细节如下。
无细胞展示作为核心平台
寻找能与特定靶标精确结合的蛋白质和肽的技术，是开发新药和诊断疾病的关键基础。迄今为止，已经开发出多种称为“展示技术”的方法来搜索能与目标靶标结合的蛋白质。近年来，一种名为“无细胞蛋白质合成”的方法被广泛使用，该方法在不使用像大肠杆菌或酵母菌这样的活细胞的情况下，在试管中生产蛋白质。由于无需进行细胞培养，这种方法可以更灵活、更高效地搜索目标蛋白质。
iCONM研究团队开发了一种新方法，将这种无细胞合成产生的蛋白质固定在可被磁铁吸附的小颗粒表面。这项技术能够精确测量每个单个珠子与目标结合的强度，从而只筛选出性能最佳的蛋白质。
PL-display技术如何工作
在这项研究中，我们利用了一种名为“肽连接酶”的酶的连接特性。使用这种酶，我们开发了一种新技术，通过一个仅由九个氨基酸组成的短连接段，将肽（短蛋白质片段）及其模板DNA牢固地锚定在小磁珠表面。我们将这种方法命名为“PL-display”。该技术的关键特点是能够在完全不使用任何活细胞的情况下，在单个磁珠上展示一种肽及其对应的DNA。
此外，使用一种称为FACS（荧光激活细胞分选）的仪器，可以逐个检查磁珠，从而精确选择那些具有所需特性的磁珠。为了验证这项技术能否正常运行，我们进行了以下实验。
概念验证选择实验
首先，我们将两种标记肽（HA-tag和His-tag）的DNA等量混合，并将其分别展示在磁珠上。然后，我们加入仅与每种特定肽结合的荧光标记抗体。与目标结合后的磁珠会发出更强的荧光，从而允许FACS仅选择最亮的磁珠。随后，通过PCR扩增这些被选磁珠上附着的DNA，以确定它们包含哪些基因。
结果证实，只有目标肽的基因被准确提取出来。此外，即使从仅含有0.01%（万分之一）HA-tag基因的混合物中，我们也成功通过一轮选择就完全分离出了HA-tag基因。另外，从大约170万个随机序列的肽中，我们仅用两轮选择就高效地收集到了与抗HA-tag抗体结合的肽。
通过根据每个单个磁珠的荧光强度确定回收标准的严格程度，我们实现了“单次分选富集一万倍”的高效率，这是传统方法难以达到的。这表明，即使是从类似于实际药物发现研究中的多样化肽群体中，也能快速识别出目标肽。
无细胞、基于磁珠的筛选优势
这项技术采用了“无细胞蛋白质合成”的方法。这是一种在不使用活细胞的情况下，在试管中生产蛋白质的方法。因此，它不受细胞生长所需条件的限制，也不受单个细胞生产蛋白质方式差异的影响。此外，它还可以毫无困难地研究对细胞有害的蛋白质，或是在不同于正常内部环境的特殊条件下的蛋白质。
另外，在这项技术中，蛋白质及其模板DNA通过一种难以断裂的牢固化学键紧密连接。而且，每个磁珠只展示一种类型的蛋白质。这确保了即使在剧烈洗涤或高盐浓度等恶劣条件下也能保持稳定，从而可以精确评估“每个磁珠与目标结合的强度”。使用FACS设备（根据磁珠的亮度（荧光强度）进行分选），研究人员可以自由、精细地设定标准，例如“只回收超过某一亮度阈值的磁珠”。
这种机制理论上不仅可以选择结合力非常强的蛋白质，还可以选择具有“恰到好处的结合强度”——既不太强也不太弱——的蛋白质。
跨行业的潜在应用
利用PL-display进行的靶结合蛋白的超高通量筛选，预计将在包括药物发现、诊断和生物材料开发在内的广泛领域中找到应用。这些应用包括寻找治疗性和诊断性肽及低分子量抗体，开发用于非生理环境的工业蛋白质，以及利用磁珠平台通过自动化和机器人技术实现高速筛选。
出版详情：Shingo Ueno 等人，“肽连接酶介导的展示：用于亲和肽可调筛选的无细胞平台”，《PNAS Nexus》，2026年。DOI：10.1093/pnasnexus/pgag031
期刊信息：《PNAS Nexus》
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