پروتئین جزء ضروری همه موجودات است. هر یک از مولکول های آن از یک یا چند زنجیره پلی پپتیدی متشکل از اسیدهای آمینه تشکیل شده است. اگرچه اطلاعات لازم برای زندگی در DNA یا RNA رمزگذاری شده است، پروتئین های نوترکیب طیف گسترده ای از عملکردهای بیولوژیکی را در موجودات انجام می دهند، از جمله کاتالیز آنزیمی، حفاظت، حمایت، حرکت و تنظیم. با توجه به عملکرد آنها در بدن، این مواد را می توان به دسته های مختلفی از جمله آنتی بادی ها، آنزیم ها، اجزای ساختاری تقسیم کرد. با توجه به عملکردهای مهم آنها، چنین ترکیباتی به شدت مورد مطالعه و استفاده گسترده قرار گرفته اند.
در گذشته، راه اصلی برای به دست آوردن پروتئین نوترکیب، جداسازی آن از یک منبع طبیعی بود که معمولاً ناکارآمد و زمان‌بر است. پیشرفت‌های اخیر در فناوری مولکولی بیولوژیکی، شبیه‌سازی DNA کدکننده مجموعه خاصی از مواد را در یک ناقل بیانی برای موادی مانند باکتری‌ها، مخمرها، سلول‌های حشرات و سلول‌های پستانداران ممکن کرده است.
به بیان ساده، پروتئین های نوترکیب توسط محصولات DNA اگزوژن بهسلول های زنده. دریافت آنها معمولاً شامل دو مرحله اصلی است:
- کلون کردن یک مولکول.
- بیان پروتئین.
در حال حاضر تولید چنین ساختاری یکی از قوی ترین روش های مورد استفاده در پزشکی و زیست شناسی است. این ترکیب کاربرد وسیعی در تحقیقات و بیوتکنولوژی دارد.
جهت پزشکی
پروتئین های نوترکیب درمان های مهمی برای بیماری های مختلف مانند دیابت، سرطان، بیماری های عفونی، هموفیلی و کم خونی ارائه می کنند. فرمول‌های معمولی چنین موادی شامل آنتی‌بادی‌ها، هورمون‌ها، اینترلوکین‌ها، آنزیم‌ها و ضد انعقادها می‌شود. نیاز روزافزونی به فرمولاسیون های نوترکیب برای استفاده درمانی وجود دارد. آنها به شما امکان می دهند روش های درمانی را گسترش دهید.
پروتئین های نوترکیب دستکاری شده ژنتیکی نقش کلیدی در بازار داروهای درمانی دارند. سلول های پستانداران در حال حاضر بیشترین عوامل درمانی را تولید می کنند زیرا فرمولاسیون آنها قادر به تولید مواد طبیعی با کیفیت بالا است. علاوه بر این، بسیاری از پروتئین های درمانی نوترکیب تایید شده در E. coli به دلیل ژنتیک خوب، رشد سریع و بهره وری بالا تولید می شوند. همچنین تأثیر مثبتی بر تولید داروهای مبتنی بر این ماده دارد.
تحقیق
دستیابی به پروتئین های نوترکیب بر اساس روش های مختلفی انجام می شود. مواد به کشف اصول اولیه و اساسی بدن کمک می کنند. از این مولکول ها می توان برای شناسایی و تعیین استفاده کردمحل ماده کدگذاری شده توسط یک ژن خاص، و برای آشکار کردن عملکرد ژن های دیگر در فعالیت های سلولی مختلف مانند سیگنال دهی سلولی، متابولیسم، رشد، تکثیر و مرگ، رونویسی، ترجمه و اصلاح ترکیبات مورد بحث در مقاله.
بنابراین، ترکیب مشاهده شده اغلب در زیست شناسی مولکولی، زیست شناسی سلولی، بیوشیمی، مطالعات ساختاری و بیوفیزیکی و بسیاری از زمینه های دیگر علم استفاده می شود. در عین حال، دستیابی به پروتئین های نوترکیب یک عمل بین المللی است.
چنین ترکیباتی ابزارهای مفیدی در درک فعل و انفعالات بین سلولی هستند. آنها در چندین روش آزمایشگاهی مانند ELISA و ایمونوهیستوشیمی (IHC) موثر هستند. از پروتئین های نوترکیب می توان برای توسعه سنجش آنزیمی استفاده کرد. هنگامی که در ترکیب با یک جفت آنتی بادی مناسب استفاده می شود، سلول ها می توانند به عنوان استاندارد برای فناوری های جدید استفاده شوند.
بیوتکنولوژی
پروتئین های نوترکیب حاوی یک توالی اسید آمینه نیز در صنعت، تولید مواد غذایی، کشاورزی و مهندسی زیستی استفاده می شوند. به عنوان مثال، در دامپروری، آنزیم هایی را می توان به غذا اضافه کرد تا ارزش غذایی مواد غذایی را افزایش دهد، هزینه ها و ضایعات را کاهش دهد، از سلامت روده حیوانات حمایت کند، بهره وری را بهبود بخشد و محیط زیست را بهبود بخشد.
علاوه بر این، باکتری های اسید لاکتیک (LAB) برای مدت طولانیبرای تولید غذاهای تخمیر شده استفاده می شود و اخیرا LAB برای بیان پروتئین های نوترکیب حاوی یک توالی اسید آمینه ساخته شده است که می تواند به طور گسترده ای مورد استفاده قرار گیرد، به عنوان مثال، برای بهبود هضم انسان، حیوان و تغذیه.
با این حال، این مواد محدودیت هایی نیز دارند:
- در برخی موارد، تولید پروتئین های نوترکیب پیچیده، پرهزینه و زمان بر است.
- مواد تولید شده در سلولها ممکن است با اشکال طبیعی مطابقت نداشته باشند. این تفاوت می تواند اثربخشی پروتئین های نوترکیب درمانی را کاهش دهد و حتی عوارض جانبی ایجاد کند. علاوه بر این، این تفاوت ممکن است بر نتایج آزمایش‌ها تأثیر بگذارد.
- مشکل اصلی همه داروهای نوترکیب ایمنی زایی است. همه محصولات بیوتکنولوژی می توانند نوعی از ایمنی زایی را نشان دهند. پیش‌بینی ایمنی پروتئین‌های درمانی جدید دشوار است.
به طور کلی، پیشرفت در بیوتکنولوژی باعث افزایش و تسهیل تولید پروتئین های نوترکیب برای کاربردهای مختلف شده است. اگرچه آنها هنوز هم دارای برخی اشکال هستند، اما در پزشکی، تحقیقات و بیوتکنولوژی مهم هستند.
لینک بیماری
پروتئین نوترکیببرای انسان مضر نیست. این تنها بخشی جدایی ناپذیر از مولکول کلی در توسعه یک دارو یا عنصر تغذیه ای خاص است. بسیاری از مطالعات پزشکی نشان داده اند که بیان اجباری پروتئین FGFBP3 (به اختصار BP3) در یک سویه آزمایشگاهی از موش های چاق کاهش قابل توجهی در چربی بدن آنها نشان می دهد.توده، با وجود استعداد ژنتیکی برای استفاده.
نتایج این آزمایشات نشان می دهد که پروتئین FGFBP3 ممکن است درمان جدیدی برای اختلالات مرتبط با سندرم متابولیک مانند دیابت نوع 2 و بیماری کبد چرب ارائه دهد. اما از آنجایی که BP3 یک پروتئین طبیعی است و نه یک داروی مصنوعی، آزمایش‌های بالینی BP3 نوترکیب انسانی می‌تواند پس از آخرین دور مطالعات بالینی آغاز شود. در، یعنی، دلایل مربوط به ایمنی انجام چنین مطالعاتی وجود دارد. پروتئین نوترکیب به دلیل پردازش و خالص سازی مرحله ای برای انسان مضر نیست. تغییرات در سطح مولکولی نیز در حال وقوع است.
PD-L2، یکی از بازیگران کلیدی در ایمونوتراپی، نامزد جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی 2018 شد. این کار که توسط پروفسور جیمز پی آلیسون از ایالات متحده آمریکا و پروفسور تاسوکو هونجو از ژاپن آغاز شده است، منجر به درمان سرطان هایی مانند ملانوما، سرطان ریه و موارد دیگر بر اساس ایمونوتراپی ایمونوتراپی شده است. اخیرا، AMSBIO یک محصول جدید بزرگ به خط ایمنی درمانی خود اضافه کرده است، فعال کننده PD-L2/TCR - CHO Recombinant Cell Line.
در آزمایش‌های اثبات مفهوم، محققان دانشگاه آلاباما در بیرمنگام، به رهبری H. Long Zheng، MD، پروفسور رابرت B. آدامز، و مدیر پزشکی آزمایشگاهی، گروه آسیب‌شناسی، دانشکده UAB پزشکی، یک درمان بالقوه یک اختلال خونریزی نادر اما کشنده، TTP را برجسته کرده است.
نتایج اینمطالعات برای اولین بار نشان می‌دهد که انتقال پلاکت‌های حاوی rADAMTS13 ممکن است یک رویکرد درمانی جدید و بالقوه مؤثر برای ترومبوز شریانی مرتبط با TTP مادرزادی و با واسطه ایمنی باشد.
پروتئین نوترکیب نه تنها یک ماده مغذی است، بلکه یک دارو در ترکیب داروی در حال توسعه است. اینها تنها چند حوزه هستند که اکنون درگیر پزشکی هستند و به مطالعه تمام عناصر ساختاری آن مربوط می شوند. همانطور که رویه بین المللی نشان می دهد، ساختار یک ماده در سطح مولکولی امکان مقابله با بسیاری از مشکلات جدی در بدن انسان را فراهم می کند.
توسعه واکسن
پروتئین نوترکیب مجموعه خاصی از مولکول‌ها است که می‌توانند مدل‌سازی شوند. از ویژگی مشابهی در ساخت واکسن ها استفاده می شود. به گفته محققان دانشگاه ادینبورگ و موسسه پیربرایت، یک استراتژی جدید واکسیناسیون، که به عنوان استفاده از تزریق ویروس نوترکیب ویژه نیز شناخته می‌شود، می‌تواند از میلیون‌ها جوجه در معرض خطر از یک بیماری جدی تنفسی محافظت کند. این واکسن ها از نسخه های بی ضرر یا ضعیف یک ویروس یا باکتری برای وارد کردن میکروب به سلول های بدن استفاده می کنند. در این مورد، کارشناسان از ویروس های نوترکیب با پروتئین های مختلف سنبله به عنوان واکسن برای ایجاد دو نسخه از یک ویروس بی ضرر استفاده کردند. داروهای مختلف زیادی حول این ارتباط ساخته شده اند.
اسامی تجاری پروتئین نوترکیب و آنالوگ ها به شرح زیر است:
- "Fortelizin".
- "Z altrap".
- "Eylea".
اینها عمدتاً داروهای ضد سرطان هستند، اما حوزه‌های درمانی دیگری نیز با این ماده فعال مرتبط هستند.
بر اساس مطالعه جدیدی که در مجله علمی Nature Communications منتشر شده است، واکسن جدیدی که LASSARAB نیز نامیده می‌شود، برای محافظت از افراد در برابر تب لاسا و هاری طراحی شده است. یک نامزد واکسن نوترکیب غیرفعال از ویروس هاری ضعیف شده استفاده می کند.
تیم تحقیقاتی مواد ژنتیکی ویروس لاسا را در ناقل ویروس هاری وارد کردند تا واکسن پروتئین‌های سطحی را در سلول‌های لاسا و هاری بیان کند. این ترکیبات سطحی باعث ایجاد پاسخ ایمنی در برابر عوامل عفونی می شوند. سپس این واکسن برای "از بین بردن" ویروس زنده هاری که برای ساختن ناقل استفاده می شد غیرفعال شد.
روش‌های دریافت
سیستم های مختلفی برای تولید یک ماده وجود دارد. روش کلی برای به دست آوردن یک پروتئین نوترکیب بر اساس به دست آوردن مواد بیولوژیکی از سنتز است. اما راه های دیگری نیز وجود دارد.
در حال حاضر پنج سیستم بیان اصلی وجود دارد:
- سیستم بیان E. coli.
- سیستم بیان مخمر.
- سیستم بیان سلول حشرات.
- سیستم بیان سلولی پستانداران.
- سیستم بیان پروتئین بدون سلول.
گزینه دوم به ویژه برای بیان پروتئین های گذرنده مناسب استو ترکیبات سمی در سال‌های اخیر، موادی که بیان آنها با روش‌های معمولی درون سلولی دشوار است، با موفقیت در سلولها در شرایط آزمایشگاهی ادغام شده‌اند. در بلاروس، تولید پروتئین های نوترکیب به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. تعدادی از شرکت های دولتی با این موضوع سروکار دارند.
سیستم سنتز پروتئین بدون سلول روشی سریع و کارآمد برای سنتز مواد هدف با افزودن سوبستراهای مختلف و ترکیبات انرژی لازم برای رونویسی و ترجمه در سیستم آنزیمی عصاره های سلولی است. در سال‌های اخیر، مزایای روش‌های بدون سلول برای انواع موادی مانند غشاهای پیچیده و سمی به تدریج پدیدار شده است و کاربرد بالقوه آنها را در زمینه بیودارویی نشان می‌دهد.
فناوری بدون سلول می تواند انواع اسیدهای آمینه غیر طبیعی را به راحتی و به شیوه ای کنترل شده اضافه کند تا به فرآیندهای اصلاح پیچیده ای دست یابد که حل آنها پس از بیان نوترکیب معمولی دشوار است. چنین روش هایی دارای ارزش کاربردی و پتانسیل بالایی برای تحویل دارو و توسعه واکسن با استفاده از ذرات ویروس مانند هستند. تعداد زیادی از پروتئین های غشایی با موفقیت در سلول های آزاد بیان شده اند.
بیان ترکیبات
پروتئین نوترکیب CFP10-ESAT 6 تولید و برای ساخت واکسن استفاده می شود. چنین آلرژن سل به شما امکان می دهد سیستم ایمنی بدن را تقویت کنید و آنتی بادی ایجاد کنید. به طور کلی، مطالعات مولکولی شامل مطالعه هر جنبه ای از پروتئین، مانند ساختار، عملکرد، تغییرات، محلی سازی یا برهمکنش ها می شود. کاوشچگونه مواد خاصی فرآیندهای داخلی را تنظیم می کنند، محققان معمولاً به ابزارهایی برای تولید ترکیبات کاربردی مورد علاقه و سود نیاز دارند.
با توجه به اندازه و پیچیدگی پروتئین ها، سنتز شیمیایی گزینه مناسبی برای این تلاش نیست. در عوض، سلول‌های زنده و ماشین‌های سلولی آنها معمولاً به‌عنوان کارخانه‌هایی برای ایجاد و ساخت مواد بر اساس الگوهای ژنتیکی ارائه‌شده استفاده می‌شوند. سپس سیستم بیان پروتئین نوترکیب ساختار لازم برای ایجاد یک دارو را ایجاد می کند. بعد انتخاب مواد لازم برای دسته های مختلف داروها است.
برخلاف پروتئین ها، DNA به آسانی به صورت مصنوعی یا در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از تکنیک های نوترکیب به خوبی تثبیت شده ساخته می شود. بنابراین، الگوهای DNA ژن‌های خاص، با یا بدون توالی‌های گزارشگر اضافه شده یا توالی‌های برچسب میل ترکیبی، می‌توانند به عنوان الگوهایی برای بیان ماده نظارت شده طراحی شوند. چنین ترکیباتی که از چنین الگوهای DNA به دست می آیند، پروتئین های نوترکیب نامیده می شوند.
راهبردهای سنتی برای بیان یک ماده شامل ترانسفکشن سلول ها با یک ناقل DNA که حاوی یک الگو است و سپس کشت سلول ها برای رونویسی و ترجمه پروتئین مورد نظر است. به طور معمول، سلول ها سپس لیز می شوند تا ترکیب بیان شده برای خالص سازی بعدی استخراج شود. پروتئین نوترکیب CFP10-ESAT6 به این روش پردازش می شود و از طریق یک سیستم تصفیه از امکان پذیر می گذرد.تشکیل سموم تنها پس از آن می رود تا به واکسن سنتز شود.
هر دو سیستم بیان پروکاریوتی و یوکاریوتی در داخل بدن برای مواد مولکولی به طور گسترده استفاده می شوند. انتخاب سیستم به نوع پروتئین، نیاز به فعالیت عملکردی و بازده مورد نظر بستگی دارد. این سیستم های بیانی شامل پستانداران، حشرات، مخمرها، باکتری ها، جلبک ها و سلول ها هستند. هر سیستمی مزایا و چالش های خاص خود را دارد و انتخاب سیستم مناسب برای یک کاربرد خاص برای بیان موفقیت آمیز ماده مورد بررسی مهم است.
بیان از پستانداران
استفاده از پروتئین های نوترکیب امکان ساخت واکسن ها و داروهای سطوح مختلف را فراهم می کند. برای این کار می توان از این روش به دست آوردن یک ماده استفاده کرد. سیستم های بیان پستانداران را می توان برای تولید پروتئین هایی از قلمرو حیوانات استفاده کرد که به دلیل محیط فیزیولوژیکی مرتبط، دارای بیشترین ساختار و فعالیت بومی هستند. این منجر به سطوح بالایی از پردازش پس از ترجمه و فعالیت عملکردی می شود. سیستم های بیان پستانداران را می توان برای تولید آنتی بادی ها، پروتئین های پیچیده و ترکیباتی برای استفاده در سنجش های عملکردی مبتنی بر سلول استفاده کرد. با این حال، این مزایا با شرایط کشت سخت‌تر همراه است.
سیستم های بیان پستانداران را می توان برای تولید پروتئین به صورت موقت یا از طریق خطوط سلولی پایدار که در آن ساختار بیانی در ژنوم میزبان ادغام می شود، استفاده کرد. در حالی که چنین سیستم هایی را می توان در آزمایش های متعدد استفاده کرد، زمانتولید می تواند مقدار زیادی ماده را در یک تا دو هفته تولید کند. این نوع بیوتکنولوژی پروتئین نوترکیب تقاضای زیادی دارد.
این سیستم‌های بیان پستانداران گذرا و پرمحصول از کشت‌های سوسپانسیون استفاده می‌کنند و می‌توانند گرم در لیتر تولید کنند. علاوه بر این، این پروتئین‌ها در مقایسه با سایر سیستم‌های بیانی، تغییرات بومی‌تر و پس از ترجمه‌ای مانند گلیکوزیلاسیون دارند.
بیان حشرات
روش های تولید پروتئین نوترکیب به پستانداران محدود نمی شود. از نظر هزینه های تولید نیز راه های مولدتری وجود دارد، اگرچه بازده ماده در هر 1 لیتر مایع تصفیه شده بسیار کمتر است.
سلول های حشره را می توان برای بیان پروتئین سطح بالا با تغییراتی مشابه سیستم پستانداران استفاده کرد. چندین سیستم وجود دارد که می‌توان از آنها برای تولید باکولوویروس نوترکیب استفاده کرد که سپس می‌توان از آن برای استخراج ماده مورد نظر در سلول‌های حشرات استفاده کرد.
بیان پروتئین‌های نوترکیب را می‌توان به راحتی مقیاس‌بندی کرد و با کشت سوسپانسیون با چگالی بالا برای ترکیب در مقیاس بزرگ مولکول‌ها سازگار کرد. آنها از نظر عملکردی بیشتر شبیه ترکیب بومی ماده پستانداران هستند. اگرچه بازده می تواند تا 500 میلی گرم در لیتر باشد، تولید باکولوویروس نوترکیب می تواند زمان بر باشد و شرایط کشت دشوارتر از سیستم های پروکاریوتی است. با این حال، در کشورهای جنوبی و گرمتر، مشابه استروش کارآمدتر در نظر گرفته می شود.
بیان باکتری
تولید پروتئین های نوترکیب را می توان با کمک باکتری ها ایجاد کرد. این فناوری با آنچه در بالا توضیح داده شد بسیار متفاوت است. سیستم‌های بیان پروتئین باکتریایی محبوب هستند زیرا کشت باکتری‌ها آسان است، سریع رشد می‌کنند و بازده بالایی از فرمول نوترکیب می‌دهند. با این حال، مواد یوکاریوتی چند دامنه ای بیان شده در باکتری ها اغلب غیرعملکردی هستند، زیرا سلول ها برای انجام تغییرات لازم پس از ترجمه یا تاخوردگی مولکولی مجهز نیستند.
علاوه بر این، بسیاری از پروتئین‌ها به‌عنوان مولکول‌های انکلوژن نامحلول می‌شوند، که بازیابی آنها بدون دناتوراتورهای خشن و متعاقب آن روش‌های دست و پا گیر مولکولی مجدد دشوار است. این روش عمدتاً هنوز تا حد زیادی تجربی در نظر گرفته می شود.
بیان سلولی آزاد
پروتئین نوترکیب حاوی توالی اسید آمینه استافیلوکیناز به روشی کمی متفاوت به دست می آید. این در بسیاری از انواع تزریق گنجانده شده است و قبل از استفاده به چندین سیستم نیاز دارد.
بیان پروتئین بدون سلول یک سنتز در شرایط آزمایشگاهی یک ماده با استفاده از عصاره‌های سلول کامل سازگار با ترجمه است. در اصل، عصاره‌های سلول کامل حاوی تمام درشت مولکول‌ها و اجزای مورد نیاز برای رونویسی، ترجمه و حتی اصلاحات پس از ترجمه هستند.
این اجزا شامل RNA پلیمراز، فاکتورهای پروتئینی تنظیم کننده، اشکال رونویسی، ریبوزوم ها و tRNA می باشند. هنگام اضافه کردنکوفاکتورها، نوکلئوتیدها و یک الگوی ژنی خاص، این عصاره ها می توانند پروتئین های مورد علاقه را در چند ساعت سنتز کنند.
اگرچه برای تولید در مقیاس بزرگ پایدار نیست، سیستم‌های بیان پروتئین بدون سلول یا در شرایط آزمایشگاهی (IVT) مزایای زیادی نسبت به سیستم‌های in vivo معمولی دارند.
بیان عاری از سلول، سنتز سریع فرمولاسیون های نوترکیب را بدون درگیر کردن کشت سلولی امکان پذیر می کند. سیستم‌های بدون سلول برچسب‌گذاری پروتئین‌ها را با اسیدهای آمینه اصلاح‌شده و همچنین بیان ترکیباتی که تحت تخریب سریع پروتئولیتیک توسط پروتئازهای درون سلولی قرار می‌گیرند، ممکن می‌سازند. علاوه بر این، بیان بسیاری از پروتئین های مختلف به طور همزمان با استفاده از یک روش بدون سلول آسان تر است (به عنوان مثال، آزمایش جهش پروتئین با بیان در مقیاس کوچک از بسیاری از الگوهای مختلف DNA نوترکیب). در این آزمایش نماینده، از سیستم IVT برای بیان پروتئین کاسپاز 3 انسانی استفاده شد.
نتیجه گیری و چشم اندازهای آینده
تولید پروتئین نوترکیب اکنون می تواند به عنوان یک رشته بالغ دیده شود. این نتیجه پیشرفت های افزایشی متعدد در تصفیه و تجزیه و تحلیل است. در حال حاضر، برنامه های کشف دارو به ندرت به دلیل ناتوانی در تولید پروتئین مورد نظر متوقف می شوند. فرآیندهای موازی برای بیان، خالص‌سازی و تجزیه و تحلیل چندین ماده نوترکیب در حال حاضر در بسیاری از آزمایشگاه‌ها در سراسر جهان شناخته شده است.
کمپلکس های پروتئینی و موفقیت روزافزون در ساختساختارهای غشایی محلول به تغییرات بیشتری نیاز دارند تا با تقاضا مطابقت داشته باشند. ظهور سازمان‌های تحقیقاتی قراردادی مؤثر برای تأمین منظم‌تر پروتئین‌ها، امکان تخصیص مجدد منابع علمی را برای مقابله با این چالش‌های جدید فراهم می‌کند.
علاوه بر این، گردش‌های کاری موازی باید به ایجاد کتابخانه‌های کاملی از ماده نظارت‌شده اجازه دهد تا شناسایی هدف جدید و غربالگری پیشرفته، همراه با پروژه‌های سنتی کشف داروی مولکول‌های کوچک را ممکن کند.
