در مطلب قبلی در مورد تکنیک آنالیز DLS یا تفرق نور پویا (Dynamic light scattering) صحبت کردیم. در این مطلب از دایا اکسیر که فروش مواد شیمیایی آزمایشگاهی را انجام میدهد، می خواهیم در خصوص شاخه ای از رشته مهندسی ژنتیک به نام Protein Engineering یا مهندسی پروتئین صحبت کنیم که ساختار و عملکرد پروتئین ها، سویه های نوترکیبی که منجر به تغییر ساختار پروتئین شده و غیره را مهندسی می کند. در ادامه مطلب بیشتر شما را با مهندسی پروتئین آشنا خواهیم کرد.
مهندسی پروتئین (Protein Engineering) چیست؟
مهندسی پروتئین، فناوری قدرتمندی برای بررسی رابطه توالی-عملکرد پروتئین است. پروتئین‌های موجود در طبیعت به‌طور سنتی رایج‌ترین بیوکاتالیست‌های مورد استفاده، برای تولید محصولات طبیعی متعدد از مواد شیمیایی گرفته تا داروسازی بوده‌اند. مهندسی پروتئین به عنوان یک جعبه ابزار بیوتکنولوژیکی قدرتمند در توسعه مهندسی متابولیک به ویژه برای بیوسنتز محصولات طبیعی ظهور کرده است. اخیراً، مهندسی پروتئین به روشی مطلوب برای بهبود فعالیت های آنزیمی، تقویت پایداری آنزیم ها و گسترش طیف های محصول در بیوسنتز محصولات طبیعی تبدیل شده است.
نقش پروتئین و خواص آن در مهندسی پروتئین (Protein Engineering)
تکامل عملکردها و خواص پروتئین های موجود در طبیعت، به گونه ای شکل گرفته که به فنوتیپ مفید در موجودات زنده کمک می کند؛ با این حال، این کارکردها و نقش‌ها تنها کسری از آن‌هایی هستند که از نظر بیولوژیکی ممکن است. با اصلاح توالی تک تک پروتئین ها، می توان فراتر از آنچه در طبیعت تکامل یافته رفت و عملکردها یا خواص کاملاً جدیدی را به دست آورد. همچنین کومار و سینگ در سال ۲۰۱۳ و پورتر و همکاران او در سال ۲۰۱۶ معتقد بودند که پروتئین های اصلاح شده را می توان برای بهبود فنوتیپ موجودات زنده یا کاربردهای صنعتی یا پزشکی استفاده کرد و هم اکنون از فرآیندها و چارچوب های اصلاح توالی پروتئین، در حوزه مهندسی پروتئین قرار می گیرد.
پس مهندسی پروتئین فرآیندی است که طی آن محقق یک توالی پروتئین را از طریق جایگزینی، قرار دادن یا حذف نوکلئوتیدها در ژن کدکننده، با هدف به دست آوردن پروتئین اصلاح شده ای که برای کاربرد یا هدف خاصی مناسب تر از پروتئین اصلاح نشده است، اصلاح می کند. تمرکز بر کاربرد، مهندسی پروتئین را از اصطلاح گسترده تر “جهش زایی هدفمند” جدا می کند. جهش زایی هدفمند، روشی است که در آن یک مکان خاص در یک توالی ژن تغییر می یابد. چنین تغییراتی را می توان برای اهداف مهندسی، مانند مهندسی پروتئین یا برای بررسی اثر جهش های خاص در یک ژن انجام داد.
ویژگی های تکامل پروتئین هدایت شده در مهندسی پروتئین
تکامل پروتئین هدایت شده (Directed protein evolution)، روشی که در سال ۲۰۱۸ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد و به عنوان یک رویکرد مفهومی و روش شناختی خاص در مهندسی پروتئین محسوب شد. طبق این رویکرد که ما توانایی محدودی برای پیش‌بینی تأثیر جایگزین‌های اسید آمینه فردی بر خواص پروتئین داریم، اما اندازه‌گیری اثر همان جایگزین‌ها را میتوان به آسانی به دست آورد.
همچنین این رویکرد شامل تولید مجموعه بزرگی از توالی‌های پروتئینی متنوع است که برخی از آنها، راه حلی بالقوه برای هدف مهندسی را نشان میدهد و سپس به صورت آزمایشی پروتئین‌های حاصل را برای خواص و عملکردهای مطلوب غربال می‌کنند.
در تکامل هدایت شده تنوع توالی و غربالگری، اغلب چندین بار تکرار می شود و با جایگزینی اسید آمینه اضافی در هر دور جمع می شود؛ همچنین هر دور یک توالی پروتئینی نزدیکتر به هدف مهندسی پروتئین را ارائه می دهد. تکامل هدایت‌شده به روش‌هایی از زیست‌شناسی مولکولی برای انجام تنوع‌سازی توالی و روش‌هایی از بیوشیمی، شیمی تحلیلی و میکروبیولوژی برای غربالگری پروتئین‌های به‌دست‌آمده برای خواص دلخواه متکی است.
اگر مایل هستید بدانید فلوسایتومتری (Flow cytometry) چیست و چگونه کار می کند، روی عکس زیر کلیک کنید.
چالش‌های مهندسی بیوسنتز محصولات طبیعی
با توجه به ارزش بالای محصولات طبیعی در داروسازی، آرایشی و بهداشتی و صنایع غذایی، مهندسی بیوسنتز توجه گسترده کرده است. در چند دهه گذشته هر دو سیستم میکروبی و عاری از سلول شاهد توسعه سریع محصولات طبیعی بیوسنتز می‌باشند. همچنین با استفاده از آنزیم‌های طبیعی، با کمک توسعه سویه، بیان ژن مدولار شده، مقررات دینامیکی و سایر استراتژی‌های مهندسی متابولیک، میتوان کلاس‌های مختلفی از محصولات طبیعی با ارزش افزوده و مشتقات آنها مانند اسیدهای چرب، ایزوپرنوئیدها، آلکالوئیدها را سنتز کرد. این پیشرفت ها تحقیقات بیشتر در مورد بیوسنتز محصولات طبیعی را ارتقا داده است.
با این حال، محدودیت هایی وجود دارد که مانع توسعه بیوسنتز محصولات طبیعی می شود. برای مثال، هنگام ادغام آنزیم‌های طبیعی در مسیرهای بیوسنتزی، برنامه‌های کاربردی آنها گاهی به دلیل فعالیت‌های آنزیمی محدود،پایداری ضعیف و حتی از دست دادن عملکرد در میزبان‌های هترولوگ متوقف می‌شود. این اشکالات توانایی ساخت کارخانه های سلولی با استفاده از آنزیم های طبیعی را محدود می کند و بهبود بیشتر بهره وری یا گسترش طیف محصول را چالش برانگیز می کند. برخی از تلاش ها برای حل این مشکلات انجام شده است، اما انجام این رویکرد هنوز زمان‌بر است. بنابراین، بهبود آنزیم های موجود از طریق مهندسی پروتئین برای توسعه رویکردهای بیوسنتزی برای تولید محصولات طبیعی، جذاب و موثر شده است.
سخن پایانی
در مهندسی پروتئین (Protein Engineering) پروتئین‌ها از فرآیند مهندسی ژنتیک همان پروتئینی می‌باشد که عملکردهای خاصی را پس از انجام مهندسی تحت تاثیر قرار میدهد؛ در واقع ار تکنیکی که منجر به تغییر ترکیب پروتئینی اسیدآمینه گردد تا ساختار و عملکرد پروتئین اصلاح شود، در چهارچوب مهندسی پروتئین قرار می گیرد. همچنین از مهم‌ترین کاربردهای این مهندسی نیز میتوان به سنتز پروتئین، سنتز پروتئین با توان بالا، نقشه برداری از اپی‌توپ، مهندسی پادتن و مهندسی آنزیم اشاره کرد.
