隨著(zhù)DNA編碼分子庫持續擴大以及新的篩選方法不斷開(kāi)拓未知生物學(xué)領(lǐng)域，DNA編碼分子庫將成為制藥行業(yè)研發(fā)新藥的支柱之一。

　　在美國馬薩諸塞州沃爾瑟姆市一座混凝土建筑的二樓，一臺普通實(shí)驗室冰箱的塑料盒子里放著(zhù)一根透明試管，里面則含有天文數字尺度的混合物。這個(gè)分子庫里冷凍的是由總部位于英國倫敦的制藥公司——葛蘭素史克（GSK）所屬的一大批化合物，其中含有1萬(wàn)億個(gè)獨特的DNA標記分子，而這是銀河系恒星數量的10倍。

　　此類(lèi)分子庫正幫助制藥公司和生物技術(shù)企業(yè)快速鑒定能“纏住”同疾病相關(guān)的蛋白，尤其是那些證實(shí)很難被靶向蛋白的候選藥物。和傳統方法相比，它們使得篩選工作更加迅速和廉價(jià)地展開(kāi)?？茖W(xué)家還能利用它們探尋基本的生物學(xué)問(wèn)題，并且研究酶、受體和細胞通路。

　　藥物發(fā)現通常從研究人員組裝大的化學(xué)物質(zhì)分子庫開(kāi)始，并在隨后測試它們對靶點(diǎn)的效力?；衔锉粏蝹€(gè)地添加到含有靶蛋白的“井”中，以觀(guān)察它們是否影響其活性。這種被稱(chēng)為高通量篩選（HTS）的方法是自動(dòng)化的，可利用自動(dòng)設備測試上百萬(wàn)種化學(xué)物質(zhì)，但它仍然很費勁，成本頗高，而且并非總是能成功。

　　過(guò)去幾年里，藥物化學(xué)家嘗試用條形碼一樣的DNA片段標記化合物，以此增加尋找潛在有用化合物的幾率。這些使傳統小分子庫相形見(jiàn)絀的DNA編碼分子庫，為藥物發(fā)明提供了所有的便利。作為開(kāi)始，研究人員無(wú)須單獨測試每個(gè)化合物，而是把所有DNA標記的小分子放入單一的混合物中，并在隨后加入靶蛋白。在DNA條形碼的幫助下，同靶蛋白綁定的任何化合物都能被輕易地鑒定出來(lái)。

　　大即是美

　　目前，GSK擁有全球最大的DNA編碼分子庫：比其擁有200萬(wàn)種化合物的HTS分子庫大50萬(wàn)倍。

　　建造DNA編碼分子庫有若干種方法：像GSK一樣的最大分子庫是利用一種名為“DNA記錄”的方法建成的。諸如氨基酸、胺類(lèi)、羧酸等化學(xué)基本成分是合成的，然后通過(guò)化學(xué)反應被一個(gè)獨特的DNA條形碼標記出來(lái)。第二種基本成分被添加到混合物中，以制造一種新的小分子，隨后DNA條形碼被延長(cháng)。通過(guò)加入4種成分，化學(xué)家能創(chuàng )建像藥物一樣的分子。由于他們能利用上千種基本成分，因此潛在組合的數量是巨大的。

　　同化學(xué)家不得不單獨測試每種化合物的傳統HTS分子庫相比，DNA編碼分子庫更容易維護和使用。它能被存放在一個(gè)單獨的試管中，而HTS分子庫需要布滿(mǎn)自動(dòng)裝置且大到足以將每種化合物單獨存放的設備。

　　不過(guò)，在沃爾瑟姆工作的GSK經(jīng)理ChrisArico-Muendel介紹說(shuō)，DNA編碼分子庫的真正之美在于它能合成數量驚人的化學(xué)結構。對于很難尋找的新蛋白標靶，該公司藥物研發(fā)團隊利用DNA編碼分子庫的頻率即使沒(méi)有超過(guò)HTS分子庫，也和后者差不多。迄今為止，源自該公司DNA編碼分子庫的最先進(jìn)化合物是GSK2256294。它能阻斷一種涉及分解脂類(lèi)的酶——環(huán)氧化物酶。這種候選藥物出自GSK同普雷西斯公司的合作，并且完成了首次在人體中進(jìn)行的安全研究。這些研究或許為進(jìn)一步評估其在糖尿病、傷口愈合中的使用，或者作為慢性阻塞性肺疾病的治療方法提供給了支持。“我們對DNA編碼分子庫在GSK內部的進(jìn)展非常滿(mǎn)意。”Arico-Muendel表示。

　　量身定制

　　其他生物技術(shù)公司添加了一些更有趣的內容。它們不僅利用DNA標記鑒別化合物，還將其作為制造化合物的模板。哈佛大學(xué)化學(xué)家DavidLiu和他的學(xué)生發(fā)明了這種“以DNA為模板”的方法，并利用它建造了被稱(chēng)為大環(huán)化合物的環(huán)狀分子庫。這些更加穩定的較大環(huán)形分子在多個(gè)位點(diǎn)同靶蛋白發(fā)生相互作用，從而提高了結合反應的特異性。

　　Liu首先創(chuàng )建了充當向導的單鏈DNA模板。它們包括了同化學(xué)基本成分上的DNA標記互補的若干區域。隨后，他依次將DNA標記的基本成分添加到反應容器中，并且依靠DNA堿基配對，將被標記的成分聚集起來(lái)，使其近到足以相互結合在一起。隨后，最終的反應會(huì )將鏈狀基本成分轉變成環(huán)狀，從而產(chǎn)生每個(gè)均對應獨特DNA條形碼的環(huán)形大分子。

　　構建以DNA為模板的分子庫涉及巨大的工作量，因為研究人員必須為每個(gè)分子設計一個(gè)模板，并且用DNA為上千種基本成分作標記。因此，以DNA為模板的分子庫要比DNA記錄法產(chǎn)生的分子庫小，但從規模上來(lái)說(shuō)，它們仍然超越了HTS分子庫，并且擁有其他優(yōu)勢。由于科學(xué)家從一開(kāi)始便知道產(chǎn)生的是何種化合物，因此他們能純化以DNA為模板的分子庫，從而移除那些標記不準確的化合物。相比之下，DNA記錄法產(chǎn)生的巨大分子庫可能仍然含有被錯誤標記的化合物，并由此可能導致研究人員在藥物篩選上白費力氣。

　　Liu創(chuàng )建的強大分子庫包含1.4萬(wàn)個(gè)分子，并且已經(jīng)取得了一些成功。2014年，他的團隊宣稱(chēng)發(fā)現了能阻斷同Ⅱ型糖尿病相關(guān)的胰島素降解酶（IDE）的特異、穩定小分子，并由此解決了幾十年來(lái)研究人員一直在努力破解的問(wèn)題。Liu和其他人已開(kāi)始闡明IDE在健康和疾病中扮演的角色，將它們開(kāi)發(fā)成藥物的討論也正在進(jìn)行中。

　　甜蜜的篩選

　　一旦分子庫被建立起來(lái)，鑒定哪種分子能結合靶蛋白的樂(lè )趣便開(kāi)始了。大多數研究人員依賴(lài)于“親和篩選”發(fā)現這些化合物。為實(shí)現這一點(diǎn)，他們會(huì )改造靶蛋白，將一種純化標簽包括進(jìn)來(lái)。隨后，他們利用純化標簽，將結合在一起的配對提取出來(lái)。最后一步是利用DNA測序儀，讀取同小分子存在關(guān)聯(lián)的DNA標簽。

　　即便靶蛋白數量很少，這種方法也能有所收獲。據Arico-Muendel回憶，在一個(gè)項目中，學(xué)術(shù)合作者想篩選一種只能極少量產(chǎn)生的不穩定蛋白。“他們連夜乘飛機，用干冰將其運送到這里。我們馬上對其進(jìn)行了全部篩選。”他說(shuō)，“事實(shí)上，這產(chǎn)生了一些真正不錯的候選藥物。”對于HTS來(lái)說(shuō)，此類(lèi)試驗是不可能的，因為靶蛋白必須足夠穩定和豐富，以便在試驗開(kāi)始前被添加到上百萬(wàn)個(gè)“井”里。

　　不過(guò)，“親和篩選”也有短板。笨重的DNA標簽有時(shí)會(huì )妨礙和靶蛋白的反應，一些潛在的候選藥物可能就此失去。然而，由于DNA編碼分子庫很大，以至于篩選者通常不會(huì )太過(guò)關(guān)心這些損失。更大的問(wèn)題是，小分子及其標簽能和純化柱結合，并且產(chǎn)生假陽(yáng)性候選藥物。純化標簽還會(huì )影響靶蛋白的結構，從而導致數據上的混亂。

　　一些團隊已提出了解決該問(wèn)題的方法。Vipergen是一家生物技術(shù)企業(yè)，其利用DNA模板法建立的分子庫擁有5000萬(wàn)個(gè)分子。該公司已將希望放在一種“粘合劑陷阱濃縮”策略上。

　　該公司首席執行官NilsHansen介紹說(shuō)，想象一下，你把蛋白分子庫的混合物凍結起來(lái)，并將其切成超級小的冰塊。如果冰塊足夠小，每個(gè)將僅含有單一的靶點(diǎn)。在這個(gè)尺度上，即便不采取純化策略，同靶點(diǎn)相結合的小分子比例也將持續增加。Vipergen已通過(guò)在水油乳化劑中開(kāi)展篩選工作，達到了同樣的效果。其中，極小的水滴代替了冰塊。“這很酷。”Hansen表示。

　　在專(zhuān)家看來(lái)，隨著(zhù)DNA編碼分子庫持續擴大以及新的篩選方法不斷開(kāi)拓未知生物學(xué)領(lǐng)域，DNA編碼分子庫將成為制藥行業(yè)研發(fā)新藥的支柱之一。