Protein là thành phần thiết yếu của mọi sinh vật. Mỗi phân tử của nó bao gồm một hoặc nhiều chuỗi polypeptit bao gồm các axit amin. Mặc dù thông tin cần thiết cho sự sống được mã hóa trong DNA hoặc RNA, các protein tái tổ hợp thực hiện một loạt các chức năng sinh học trong sinh vật, bao gồm xúc tác enzym, bảo vệ, hỗ trợ, di chuyển và điều hòa. Theo chức năng của chúng trong cơ thể, các chất này có thể được chia thành các loại khác nhau, chẳng hạn như kháng thể, enzym, thành phần cấu trúc. Với những chức năng quan trọng của chúng, những hợp chất như vậy đã được nghiên cứu chuyên sâu và được sử dụng rộng rãi.
Trước đây, cách chính để thu được protein tái tổ hợp là phân lập nó từ nguồn tự nhiên, cách này thường không hiệu quả và tốn thời gian. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ phân tử sinh học đã cho phép sao chép DNA mã hóa một tập hợp các chất cụ thể thành một vector biểu hiện cho các chất như vi khuẩn, nấm men, tế bào côn trùng và tế bào động vật có vú.
Nói một cách đơn giản, các protein tái tổ hợp được dịch mã bởi các sản phẩm DNA ngoại sinh thànhcác tế bào sống. Nhận chúng thường bao gồm hai bước chính:
- Nhân bản phân tử.
- Biểu hiện protein.
Hiện nay, việc sản xuất cấu trúc như vậy là một trong những phương pháp mạnh mẽ nhất được sử dụng trong y học và sinh học. Chế phẩm có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và công nghệ sinh học.
Hướng y
Protein tái tổ hợp cung cấp các phương pháp điều trị quan trọng đối với các bệnh khác nhau như tiểu đường, ung thư, các bệnh truyền nhiễm, bệnh ưa chảy máu và thiếu máu. Các công thức điển hình của những chất này bao gồm kháng thể, hormone, interleukin, enzym và thuốc chống đông máu. Ngày càng có nhiều nhu cầu về các công thức tái tổ hợp để sử dụng trong điều trị. Chúng cho phép bạn mở rộng các phương pháp điều trị.
protein tái tổ hợp được biến đổi gen đóng một vai trò quan trọng trong thị trường thuốc điều trị. Tế bào động vật có vú hiện đang tạo ra nhiều tác nhân điều trị nhất vì công thức của chúng có khả năng tạo ra các chất giống tự nhiên, chất lượng cao. Ngoài ra, nhiều protein điều trị tái tổ hợp đã được phê duyệt được sản xuất ở E. coli do di truyền tốt, tăng trưởng nhanh và năng suất cao. Nó cũng có tác động tích cực đến sự phát triển của các loại thuốc dựa trên chất này.
Nghiên cứu
Thu thập protein tái tổ hợp dựa trên các phương pháp khác nhau. Các chất giúp tìm ra các nguyên tắc cơ bản và nền tảng của cơ thể. Những phân tử này có thể được sử dụng để xác định và xác địnhvị trí của chất được mã hóa bởi một gen cụ thể và tiết lộ chức năng của các gen khác trong các hoạt động tế bào khác nhau như tín hiệu tế bào, trao đổi chất, tăng trưởng, sao chép và chết, phiên mã, dịch mã và sửa đổi các hợp chất được thảo luận trong bài viết.
Vì vậy, chế phẩm quan sát được thường được sử dụng trong sinh học phân tử, sinh học tế bào, hóa sinh, nghiên cứu cấu trúc và lý sinh và nhiều lĩnh vực khoa học khác. Đồng thời, thu được các protein tái tổ hợp là một thông lệ quốc tế.
Các hợp chất như vậy là công cụ hữu ích trong việc tìm hiểu các tương tác giữa các tế bào. Chúng đã được chứng minh là có hiệu quả trong một số phương pháp phòng thí nghiệm như ELISA và hóa mô miễn dịch (IHC). Các protein tái tổ hợp có thể được sử dụng để phát triển các xét nghiệm enzym. Khi được sử dụng kết hợp với một cặp kháng thể thích hợp, các tế bào có thể được sử dụng làm tiêu chuẩn cho các công nghệ mới.
Công nghệ sinh học
Các protein tái tổ hợp có chứa một chuỗi axit amin cũng được sử dụng trong công nghiệp, sản xuất thực phẩm, nông nghiệp và kỹ thuật sinh học. Ví dụ, trong chăn nuôi, enzyme có thể được thêm vào thức ăn để tăng giá trị dinh dưỡng của thành phần thức ăn, giảm chi phí và chất thải, hỗ trợ sức khỏe đường ruột của vật nuôi, nâng cao năng suất và cải thiện môi trường.
Ngoài ra, vi khuẩn lactic (LAB) lâu ngàyđã được sử dụng để sản xuất thực phẩm lên men và gần đây LAB đã được phát triển để biểu hiện các protein tái tổ hợp có chứa một trình tự axit amin, có thể được sử dụng rộng rãi, chẳng hạn như để cải thiện tiêu hóa dinh dưỡng ở người, động vật và động vật.
Tuy nhiên, những chất này cũng có những hạn chế:
- Trong một số trường hợp, việc sản xuất protein tái tổ hợp rất phức tạp, tốn kém và mất thời gian.
- Chất tạo ra trong tế bào có thể không khớp với dạng tự nhiên. Sự khác biệt này có thể làm giảm hiệu quả của các protein tái tổ hợp điều trị và thậm chí gây ra các phản ứng phụ. Ngoài ra, sự khác biệt này có thể ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.
- Vấn đề chính của tất cả các loại thuốc tái tổ hợp là tính sinh miễn dịch. Tất cả các sản phẩm công nghệ sinh học có thể thể hiện một số dạng sinh miễn dịch. Rất khó để dự đoán độ an toàn của các protein trị liệu mới.
Nói chung, những tiến bộ trong công nghệ sinh học đã gia tăng và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất các protein tái tổ hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau. Mặc dù chúng vẫn còn một số nhược điểm, nhưng các chất này rất quan trọng trong y học, nghiên cứu và công nghệ sinh học.
Kết bệnh
protein tái tổ hợp không gây hại cho con người. Nó chỉ là một phần không thể thiếu của phân tử tổng thể trong quá trình phát triển của một loại thuốc hoặc nguyên tố dinh dưỡng cụ thể. Nhiều nghiên cứu y tế đã chỉ ra rằng sự biểu hiện cưỡng bức của protein FGFBP3 (viết tắt là BP3) trong một dòng chuột béo phì trong phòng thí nghiệm cho thấy lượng mỡ trong cơ thể của chúng giảm đáng kể.khối lượng, bất chấp khuynh hướng di truyền để sử dụng.
Kết quả của những thử nghiệm này cho thấy rằng protein FGFBP3 có thể cung cấp một liệu pháp mới cho các rối loạn liên quan đến hội chứng chuyển hóa như bệnh tiểu đường loại 2 và bệnh gan nhiễm mỡ. Nhưng vì BP3 là một protein tự nhiên và không phải là một loại thuốc nhân tạo, các thử nghiệm lâm sàng về BP3 tái tổ hợp ở người có thể bắt đầu sau vòng cuối cùng của các nghiên cứu tiền lâm sàng. Có nghĩa là, có những lý do liên quan đến sự an toàn của việc thực hiện các nghiên cứu như vậy. Protein tái tổ hợp không gây hại cho con người do được xử lý và tinh chế từng bước. Những thay đổi cũng đang diễn ra ở cấp độ phân tử.
PD-L2, một trong những nhân tố quan trọng trong liệu pháp miễn dịch, đã được đề cử cho Giải Nobel Y học hoặc Sinh lý học năm 2018. Công trình này do Giáo sư James P. Allison đến từ Hoa Kỳ và Giáo sư Tasuku Honjo đến từ Nhật Bản khởi xướng, đã dẫn đến việc điều trị các bệnh ung thư như u ác tính, ung thư phổi và các bệnh khác dựa trên liệu pháp miễn dịch điểm kiểm soát. Gần đây, AMSBIO đã thêm một sản phẩm mới chính vào dòng liệu pháp miễn dịch của mình, chất hoạt hóa PD-L2 / TCR - Dòng Tế bào Tái tổ hợp CHO.
Trong các thí nghiệm chứng minh khái niệm, các nhà nghiên cứu tại Đại học Alabama tại Birmingham, dẫn đầu bởi H. Long Zheng, MD, Giáo sư Robert B. Adams, và Giám đốc Y học Phòng thí nghiệm, Khoa Bệnh học, Trường UAB Y học, đã nêu bật một liệu pháp tiềm năng là một chứng rối loạn chảy máu hiếm gặp nhưng gây tử vong, TTP.
Kết quả của việc nàyCác nghiên cứu lần đầu tiên chứng minh rằng truyền tiểu cầu được nạp rADAMTS13 có thể là một phương pháp điều trị mới và có tiềm năng hiệu quả đối với huyết khối động mạch liên quan đến TTP bẩm sinh và qua trung gian miễn dịch.
Protein tái tổ hợp không chỉ là một chất dinh dưỡng, mà còn là một loại thuốc trong thành phần của thuốc đang được phát triển. Đây chỉ là một vài lĩnh vực hiện nay liên quan đến y học và liên quan đến việc nghiên cứu tất cả các yếu tố cấu trúc của nó. Như thông lệ quốc tế cho thấy, cấu trúc của một chất làm cho nó có thể ở cấp độ phân tử để giải quyết nhiều vấn đề nghiêm trọng trong cơ thể con người.
Phát triển vắc xin
Một protein tái tổ hợp là một tập hợp các phân tử cụ thể có thể được mô hình hóa. Một đặc tính tương tự được sử dụng trong quá trình phát triển vắc xin. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Edinburgh và Viện Pirbright cho biết, một chiến lược tiêm phòng mới, còn được gọi là tiêm vi rút tái tổ hợp đặc biệt, có thể bảo vệ hàng triệu con gà có nguy cơ mắc bệnh hô hấp nghiêm trọng. Những loại vắc-xin này sử dụng các phiên bản vô hại hoặc yếu của vi-rút hoặc vi khuẩn để đưa vi trùng vào tế bào của cơ thể. Trong trường hợp này, các chuyên gia đã sử dụng vi rút tái tổ hợp với các protein đột biến khác nhau làm vắc xin để tạo ra hai phiên bản của vi rút vô hại. Có nhiều loại thuốc khác nhau được xây dựng xung quanh mối liên hệ này.
Tên thương mại và chất tương tự của protein tái tổ hợp như sau:
- "Fortelizin".
- "Z altrap".
- "Eylea".
Đây chủ yếu là thuốc chống ung thư, nhưng có những lĩnh vực điều trị khác liên quan đến hoạt chất này.
Một loại vắc-xin mới, còn được gọi là LASSARAB, được thiết kế để bảo vệ con người chống lại cả bệnh sốt Lassa và bệnh dại, đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn trong các nghiên cứu tiền lâm sàng, theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications. Một ứng cử viên vắc-xin tái tổ hợp đã bất hoạt sử dụng một loại vi-rút bệnh dại đã suy yếu.
Nhóm nghiên cứu đã chèn vật liệu di truyền vi rút Lassa vào vectơ vi rút dại để vắc xin biểu hiện các protein bề mặt trong cả tế bào Lassa và tế bào bệnh dại. Các hợp chất bề mặt này tạo ra phản ứng miễn dịch chống lại các tác nhân lây nhiễm. Vắc xin này sau đó đã bị bất hoạt để "tiêu diệt" vi rút dại còn sống được sử dụng để làm vật mang mầm bệnh.
Phương pháp lấy
Có một số hệ thống để sản xuất một chất. Phương pháp chung để thu được protein tái tổ hợp là dựa trên việc lấy vật liệu sinh học từ quá trình tổng hợp. Nhưng có những cách khác.
Hiện tại có năm hệ thống biểu thức chính:
- Hệ thống biểu hiện E. coli.
- Hệ thống biểu hiện men.
- Hệ thống biểu hiện tế bào côn trùng.
- Hệ thống biểu hiện tế bào động vật có vú.
- Hệ thống biểu hiện protein không tế bào.
Tùy chọn thứ hai đặc biệt thích hợp cho sự biểu hiện của các protein xuyên màngvà các hợp chất độc hại. Trong những năm gần đây, những chất khó biểu hiện bằng phương pháp nội bào thông thường đã được tích hợp thành công vào tế bào trong ống nghiệm. Ở Belarus, việc sản xuất protein tái tổ hợp được sử dụng rộng rãi. Có một số doanh nghiệp nhà nước đang giải quyết vấn đề này.
Hệ thống tổng hợp protein tự do của tế bào là một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả để tổng hợp các chất đích bằng cách bổ sung các chất nền và hợp chất năng lượng khác nhau cần thiết cho quá trình phiên mã và dịch mã trong hệ thống enzym chiết xuất từ tế bào. Trong những năm gần đây, các ưu điểm của phương pháp không tế bào đối với các loại chất như màng phức tạp, độc hại đã dần xuất hiện, chứng tỏ ứng dụng tiềm năng của chúng trong lĩnh vực dược phẩm sinh học.
Công nghệ không tế bào có thể bổ sung nhiều loại axit amin không có trong tự nhiên một cách dễ dàng và có kiểm soát để đạt được các quá trình sửa đổi phức tạp khó phân giải sau khi biểu hiện tái tổ hợp thông thường. Những phương pháp như vậy có giá trị ứng dụng cao và tiềm năng để cung cấp thuốc và phát triển vắc xin bằng cách sử dụng các hạt giống vi rút. Một số lượng lớn các protein màng đã được biểu hiện thành công trong các tế bào tự do.
Thể hiện sáng tác
Protein tái tổ hợp CFP10-ESAT 6 được sản xuất và sử dụng để tạo vắc xin. Một chất gây dị ứng lao như vậy cho phép bạn tăng cường hệ thống miễn dịch và phát triển các kháng thể. Nói chung, các nghiên cứu phân tử liên quan đến việc nghiên cứu bất kỳ khía cạnh nào của protein, chẳng hạn như cấu trúc, chức năng, các biến đổi, nội địa hóa hoặc tương tác. Khám phácác chất cụ thể điều chỉnh các quá trình bên trong như thế nào, các nhà nghiên cứu thường yêu cầu phương tiện để tạo ra các hợp chất chức năng quan tâm và mang lại lợi ích.
Với kích thước và độ phức tạp của protein, tổng hợp hóa học không phải là một lựa chọn khả thi cho nỗ lực này. Thay vào đó, các tế bào sống và máy móc tế bào của chúng thường được sử dụng làm nhà máy để tạo ra và cấu tạo các chất dựa trên các khuôn mẫu di truyền được cung cấp. Hệ thống biểu hiện protein tái tổ hợp sau đó tạo ra cấu trúc cần thiết để tạo ra một loại thuốc. Tiếp theo là lựa chọn nguyên liệu cần thiết cho các loại thuốc khác nhau.
Không giống như protein, DNA dễ dàng tạo ra tổng hợp hoặc in vitro bằng cách sử dụng các kỹ thuật tái tổ hợp đã được thiết lập tốt. Do đó, các mẫu DNA của các gen cụ thể, có hoặc không có thêm trình tự báo cáo hoặc trình tự thẻ ái lực, có thể được thiết kế làm mẫu để biểu hiện chất được theo dõi. Những hợp chất có nguồn gốc từ các khuôn mẫu DNA như vậy được gọi là protein tái tổ hợp.
Các chiến lược truyền thống để biểu hiện một chất liên quan đến việc truyền vào tế bào một vectơ DNA có chứa khuôn mẫu và sau đó nuôi cấy tế bào để phiên mã và dịch mã protein mong muốn. Thông thường, các tế bào sau đó được ly giải để chiết xuất hợp chất được biểu thị để tinh chế tiếp theo. Protein tái tổ hợp CFP10-ESAT6 được xử lý theo cách này và đi qua một hệ thống tinh chế từ khả năngsự hình thành các chất độc. Chỉ sau đó nó mới được tổng hợp thành vắc xin.
Cả hệ thống biểu hiện in vivo của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực đều được sử dụng rộng rãi. Việc lựa chọn hệ thống phụ thuộc vào loại protein, yêu cầu hoạt động chức năng và sản lượng mong muốn. Các hệ thống biểu hiện này bao gồm động vật có vú, côn trùng, nấm men, vi khuẩn, tảo và tế bào. Mỗi hệ thống đều có những lợi thế và thách thức riêng, và việc lựa chọn hệ thống phù hợp cho một ứng dụng cụ thể là rất quan trọng để thể hiện thành công chất đang được xem xét.
Biểu hiện từ động vật có vú
Việc sử dụng các protein tái tổ hợp cho phép phát triển các loại vắc-xin và thuốc ở nhiều cấp độ khác nhau. Đối với điều này, phương pháp thu nhận một chất này có thể được sử dụng. Hệ thống biểu hiện của động vật có vú có thể được sử dụng để sản xuất protein từ giới động vật có cấu trúc và hoạt động bản địa nhất do môi trường sinh lý phù hợp của chúng. Điều này dẫn đến mức độ cao của quá trình xử lý sau dịch mã và hoạt động chức năng. Hệ thống biểu hiện của động vật có vú có thể được sử dụng để tạo ra các kháng thể, protein phức tạp và các hợp chất để sử dụng trong các xét nghiệm chức năng dựa trên tế bào. Tuy nhiên, những lợi ích này đi đôi với các điều kiện nuôi cấy nghiêm ngặt hơn.
Hệ thống biểu hiện của động vật có vú có thể được sử dụng để tạo ra protein tạm thời hoặc thông qua các dòng tế bào ổn định nơi cấu trúc biểu hiện được tích hợp vào bộ gen vật chủ. Trong khi các hệ thống như vậy có thể được sử dụng trong nhiều thử nghiệm, thời giansản xuất có thể tạo ra một lượng lớn chất trong một đến hai tuần. Loại công nghệ sinh học protein tái tổ hợp này đang có nhu cầu cao.
Hệ thống biểu hiện nhất thời, năng suất cao của động vật có vú sử dụng nuôi cấy huyền phù và có thể mang lại số gam trên lít. Ngoài ra, những protein này có nhiều biến đổi gấp tự nhiên và sau dịch mã, chẳng hạn như glycosyl hóa so với các hệ thống biểu hiện khác.
Biểu hiện của côn trùng
Phương pháp sản xuất protein tái tổ hợp không giới hạn ở động vật có vú. Ngoài ra còn có nhiều cách hiệu quả hơn về chi phí sản xuất, mặc dù năng suất của chất trên 1 lít chất lỏng đã qua xử lý thấp hơn nhiều.
Tế bào côn trùng có thể được sử dụng để biểu hiện một loại protein cấp cao với những biến đổi tương tự như hệ thống của động vật có vú. Có một số hệ thống có thể được sử dụng để tạo ra baculovirus tái tổ hợp, sau đó có thể được sử dụng để chiết xuất chất quan tâm trong tế bào côn trùng.
Các biểu hiện của protein tái tổ hợp có thể dễ dàng mở rộng quy mô và thích nghi với nuôi cấy huyền phù mật độ cao để tạo phức hợp quy mô lớn của các phân tử. Chúng giống về mặt chức năng hơn với thành phần tự nhiên của vật chất động vật có vú. Mặc dù sản lượng có thể lên đến 500 mg / L, việc sản xuất baculovirus tái tổ hợp có thể tốn nhiều thời gian và điều kiện nuôi cấy khó khăn hơn so với hệ thống nhân sơ. Tuy nhiên, ở các nước phía nam và ấm hơn, mộtphương pháp được coi là hiệu quả hơn.
Biểu hiện vi khuẩn
Sản xuất protein tái tổ hợp có thể được thiết lập với sự trợ giúp của vi khuẩn. Công nghệ này khác nhiều so với những công nghệ được mô tả ở trên. Hệ thống biểu hiện protein của vi khuẩn phổ biến vì vi khuẩn dễ nuôi cấy, phát triển nhanh và cho năng suất cao của công thức tái tổ hợp. Tuy nhiên, các chất nhân thực đa vùng biểu hiện ở vi khuẩn thường không có chức năng vì tế bào không được trang bị để thực hiện các sửa đổi cần thiết sau dịch mã hoặc quá trình gấp phân tử.
Ngoài ra, nhiều protein trở nên không hòa tan dưới dạng các phân tử bao gồm, rất khó phục hồi nếu không có chất biến tính khắc nghiệt và các quy trình tái cấu trúc phân tử rườm rà sau đó. Phương pháp này chủ yếu được coi là vẫn còn đang thử nghiệm.
Di động tự do biểu hiện
Protein tái tổ hợp có chứa trình tự axit amin của staphylokinase được thu nhận theo một cách hơi khác. Nó được bao gồm trong nhiều loại thuốc tiêm, yêu cầu một số hệ thống trước khi sử dụng.
Biểu hiện protein tự do của tế bào là quá trình tổng hợp trong ống nghiệm của một chất bằng cách sử dụng chiết xuất toàn bộ tế bào tương thích về mặt dịch mã. Về nguyên tắc, chiết xuất toàn bộ tế bào chứa tất cả các đại phân tử và các thành phần cần thiết cho quá trình phiên mã, dịch mã và thậm chí cả sửa đổi sau dịch mã.
Các thành phần này bao gồm RNA polymerase, các yếu tố protein điều hòa, các dạng phiên mã, ribosome và tRNA. Khi thêmđồng yếu tố, nucleotide và một mẫu gen cụ thể, những chiết xuất này có thể tổng hợp các protein quan tâm trong vài giờ.
Mặc dù không bền vững để sản xuất quy mô lớn, nhưng hệ thống biểu hiện protein trong ống nghiệm (IVT) không có tế bào hoặc không có tế bào mang lại một số lợi thế so với hệ thống in vivo thông thường.
Biểu hiện không tế bào cho phép tổng hợp nhanh chóng các công thức tái tổ hợp mà không cần nuôi cấy tế bào. Các hệ thống không tế bào có thể gắn nhãn các protein bằng các axit amin đã biến đổi, cũng như biểu thị các hợp chất trải qua quá trình phân giải protein nhanh chóng bởi các protease nội bào. Ngoài ra, việc biểu hiện cùng lúc nhiều loại protein khác nhau bằng phương pháp không tế bào sẽ dễ dàng hơn (ví dụ, kiểm tra đột biến protein bằng cách biểu hiện quy mô nhỏ từ nhiều mẫu DNA tái tổ hợp khác nhau). Trong thí nghiệm đại diện này, hệ thống IVT được sử dụng để thể hiện protein caspase-3 của người.
Kết luận và triển vọng trong tương lai
Sản xuất protein tái tổ hợp giờ đây có thể được coi là một kỷ luật trưởng thành. Đây là kết quả của nhiều cải tiến gia tăng trong quá trình thanh lọc và phân tích. Hiện nay, các chương trình khám phá thuốc hiếm khi bị dừng lại do không thể sản xuất được protein mục tiêu. Các quy trình song song để biểu hiện, tinh chế và phân tích một số chất tái tổ hợp hiện đã được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới biết đến.
Phức hợp protein và ngày càng thành công trong việc chế tạocấu trúc màng hòa tan sẽ đòi hỏi nhiều thay đổi hơn để theo kịp với nhu cầu. Sự xuất hiện của các tổ chức nghiên cứu hợp đồng hiệu quả để cung cấp protein thường xuyên hơn sẽ cho phép phân bổ lại các nguồn lực khoa học để đáp ứng những thách thức mới này.
Ngoài ra, các quy trình làm việc song song sẽ cho phép tạo ra các thư viện hoàn chỉnh của chất được giám sát để cho phép xác định mục tiêu mới và sàng lọc nâng cao, cùng với các dự án khám phá thuốc phân tử nhỏ truyền thống.
