کلیات طراحی پروتئین یا مهندسی پروتئین :

طراحی پروتئین یا مهندسی پروتئین، اشاره به اصلاح توالی پروتئین با استفاده از روش­های ژنتیکی دارد. تکنیک های مهندسی پروتئین جهت

1) شناسایی مکانیزم­های آنزیم،

2) تغییر محل اتصال آنزیم یا آنتی بادی به صورت ارادی،

3) تغییر خواص کلی آنزیم، مانند پایداری آنزیم در برابر دمای بالا، pH شدید، پروتئاز­ها، حلالیت آن یا  خاصیت آنتی ژنی آن انجام میگیرد.

اگر یک ساختار پروتئینی شناخته شده به عنوان نقطه آغازگر استفاده شود و اسیدهای آمینه یا توالی های منحصر به فرد با محل­های موتاژنز هدفمند اختصاصی جایگزین شوند، که به آن پروتکل طراحی پروتئینی هوشمندگفته  می شود. تبادل ژنتیکی اسید آمینه به طور تصادفی و انتخاب بازده توسط خواص بهبود یافته خود، تکامل هدایت شده خوانده می­شود.

متد های کلی طراحی پروتئین یا مهندسی پروتئین :

هر دو طراحی پروتئین هوشمند و تکامل هدایت شده، نیاز به ژن کدگذاری پروتئین دارند. برای طراحی پروتئین هوشمند، اطلاعات ساختاری در مورد پروتئین مورد نیاز است؛ برای آن می توان از ساختار اشعه ایکس، از داده های ساختاری NMR یا از یک مدل ساختاری حاصل از ساختار سوم پروتئین ­های مرتبط و هماهنگ با مدل سازی همولوگ استفاده کرد.پ

موتاژنز طراحی پروتئین یا مهندسی پروتئین :

 در طراحی پروتئین های هوشمند، اسید آمینه­ های منحصر­به فرد مبادله، یا یک توالی آمینواسیدی معرفی یا حذف می شود. این فرآیند در سطح DNA و توسط PCR انجام می شود. پروتکل­ های متعددی در دسترس هستند که انجام این تغییرات را با روش های سریع، ساده و قابل اطمینان امکان پذیر می سازد. برای موتاژنز تصادفی، ژن را می توان در یک سلول میزبان E. coli کلون کرد که مکانیزم­ های اصلاح DNA آن مختل شده و تحت شرایط جهش­زا کشت داده می شود. متعاقبا ، یک پروتکل PCR به کار گرفته می شود  که در آن با اضافه کردن یون های Mn²⁺ یا مواد دیگر باعث افزایش تعداد اشتباهات ساختگی در طول افزایشDNA می شود (1-3%). روش جابجایی ژن[1]، یکی دیگر از روش هایست که بر اساس ایجاد یک کتابخانه قطعات DNA از ژن های مرتبط (تطابق توالی آنها حدود 80٪) و ترکیب مجدد قطعات با روش PCR، و سپس غربالگری با توان بالا برای خواص مطلوب انجام می گیرد.

طراحی پروتئین هوشمند 

ساختار سوم پروتئین معمولا توسط کریستالوگرافی اشعه ایکس و گاهی توسط تکنیک های  NMR سه بعدی از پروتئین­ های 13C- و 15N- حاصل می شود. از سال 2014، مختصات بیش از ،000 100ساختار پروتئین در ProteinDatabase (PDB) موجود است که از طریق اینترنت به شکل بین المللی قابل دسترسی هستند. اگر توالی پروتئین مد نظر، بیش از 30٪ همولوژی با پروتئینی که مختصات آن در دسترس است نشان دهد، مدل سازی همولوژی از ساختمان ناشناخته ای که بر اساس مختصات شناخته شده انجام شده  یک مدل ساختاری از پروتئین ناشناخته را فراهم می­کند که برای آزمایشات جهش زایی به اندازه کافی دقیق است.

تا کنون، با توجه به قدرت محدود کامپیوتر، چنین شبیه سازی تنها در خلاء امکان پذیر بود. با ظهور ابرکامپیوترها و کامپیوترهای بسیار موازی، مدل­سازی ساختار پروتئین، پروتئین های جهش یافته و اتصال آنها به سوبسترا یا آنتی ژن­ها میتواند در حلال انجام شود (برای این منظور ممکن است محاسبات مکانیک مولکولی (محاسبات نیروی میدان) از تعاملات چند ده تا هزاران اتم مورد نیاز باشد!). با وجود پیشرفت، پیش بینی هایی که از این روش ها در روش های نرم افزاری حاصل می شود، بایستی معمولا با چندین دوره شبیه سازی و آزمایش­های ژنتیکی (چرخه های مهندسی پروتئین) بهینه شوند. طراحی پروتئین اغلب با جایگزینی همه اسیدهای آمینه پروتئین ­زا در محل ­هایی، همراه است که با جای خالی سوبسترا یا با توجه به بررسی های آنالوژِی به عنوان محل­های مربوطه، برای اتصال یک سوبسترا (اشباع موتاژنز) انتخاب شده­اند.

 

تکامل هدایت شده طراحی پروتئین یا مهندسی پروتئین

در این روش بر خلاف طراحی پروتئین هوشمند، مدل های ساختاری برای این تکنیک ضروری نیستند. برای بهینه سازی اتصال آنتی بادی­های انتخابی، تکنیک نمایش فاژ (phage display) به طور موثر مورد استفاده قرار گرفته است: این اجازه می دهد تا کتابخانه های بزرگ از آنتی بادی­ های جهش یافته (تا ¹⁰  10) غربالگری شوند. در مورد آنزیم ها، ژن کد گذار تحت جهش زایی تصادفی قرار می گیرد، ژن­های جهش یافته در یک کتابخانه جهش یافته بیان می شوند و جهش ­ها برای خواص مد نظر مورد بررسی قرار می گیرند.

با برنامه های جهش زایی اشباع مکرر، رویکردهای هدفمندتر برای بررسی توالی پروتئین بزرگ به سرعت در دسترس قرار می گیرد. بررسی کیفیت آنزیم از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است چرا که سرعت ایجاد و همچنین کیفیت جهش را تعیین می کند. در سال های اخیر، این روش نتایج خوبی برای توسعه آنزیم­ های صنعتی به ارمغان آورده است. برای مثال در تغییر سوبسترای اختصاصی آنها یا ثبات ترمو- و آلکالی آنها. سیستم های رباتیک یا تجهیزات FACS[2] برای این روش ها مورد استفاده قرار گرفته است.

[1] Gene shuffling

[2] flow-activated cell sorters

 

نویسنده : ساناز فرخی – دانشجو ارشد بیوتکنولوژی میکروبی