معرفی نویسنده

دپارتمان پژوهش کدکول

تیم پژوهش مجموعه کدکول

مهندسی پروتئین برای بهبود وتنوع در بیوسنتز فراورده‌های طبیعی

مهندسی پروتئین برای بهبود وتنوع در بیوسنتز فراورده‌های طبیعی

پروتئین‌هایی که در طبیعت یافت می‌شوند بیشترین استفاده را برای تولید فراورده‌های طبیعی مختلف دارند. مهندسی پروتئین به عنوان یک جعبه ابزار قدرتمند بیوتکنولوژی در توسعه مهندسی متابولیت‌های بدن ، به ویژه برای بیوسنتز فراورده‌های طبیعی ظاهر شده است. اخیراً ، مهندسی پروتئین به یک روش مورد علاقه برای بهبود فعالیت آنزیمی ، افزایش پایداری آنزیم و گسترش طیف محصول در بیوسنتز فراورده‌های طبیعی تبدیل شده است. در این مقاله که در CellPress به چاپ رسیده‌است، پیشرفت‌های اخیر و استراتژی‌های معمولی در مهندسی پروتئین را خلاصه می‌کند و نقش مهندسی پروتئین را در بهبود و تنوع بیوسنتز فراورده‌های طبیعی برجسته می کند و همچنین در مورد چشم انداز‌های آینده و دستورالعمل‌های تحقیق نیز بحث شده‌است.

مهندسی پروتئین چیست؟ در بیوسنتز فراورده‌های طبیعی، مهندسی پروتئین برای تغییر ویژگی‌های آنزیم‌ها یا حسگر‌های زیستی به منظور کارایی و پایداری بیشتر تلاش می‌کند. مهندسی پروتئین از طریق افزایش فعالیت آنزیمی، همبستگی کمپلکس‌های آنزیمی، بهبود پایداری پروتئین و مهندسی تنظیم کننده‌هایی برای غربالگری بهتر و هدفمند، بیوسنتز فراورده‌های طبیعی را بهبود بخشیده است. مهندسی پروتئین‌های موجود می‌تواند انواع مختلفی از توابع کاتالیزوری را بدست آورد. این پیشرفت‌ها طیف محصولات را گسترش داده و در نتیجه بیوسنتز فراورده‌های طبیعی را متنوع می کند.

با توجه به ارزش بالای این محصولات در صنایع دارویی، آرایشی و بهداشتی، مهندسی بیوسنتز آن‌ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است. در دهه‌ گذشته شاهد توسعه سریع بیوسنتز محصولات طبیعی در هر دو سیستم سلولی (میکروبی) و غیر سلولی (آزمایشگاهی و طراحی) بوده‌ایم. با استفاده از آنزیم‌های طبیعی، با کمک توسعه سویه، بیان ژن، تنظیم پویا و سایر استراتژی‌های مهندسی متابولیک ، می توان دسته‌های مختلفی از فراورده‌های طبیعی و مشتقات آنها ، مانند اسیدهای چرب، ایزوپرانوئیدها، آلکالوئیدها و فلاونوئیدها را سنتز کرد. این پیشرفت‌ها باعث تحقیقات بیشتر در زمینه بیوسنتز فراورده‌های طبیعی شده‌است.

با این حال، برخی محدودیت‌ها مانع پیشرفت بیوسنتز فراورده‌های طبیعی می‌شود. هنگام ادغام آنزیم‌های طبیعی در مسیرهای بیوسنتز، عملکرد آنها گاهی با فعالیت آنزیمی کم، دامنه محدود بستر، پایداری ضعیف و حتی از دست دادن عملکرد در میزبان‌ محدود می شود. این مشکلات توانایی ما در ساخت آنزیم‌های طبیعی را محدود کرده و بهبود هرچه بیشتر یا گسترش فراورده از این روش  را به چالش می‌کشد. برخی تلاش‌ها برای استخراج آنزیم‌های جدید از منابع طبیعی برای حل این مشکلات صورت گرفته‌است اما این روش همچنان زمان‌بر و پر‌هزینه است. بنابراین، بهبود آنزیم های موجود از طریق مهندسی پروتئین در پیشرفت روش‌های بیوسنتز برای تولید فراورده‌های طبیعی جذاب و مؤثراست. جهش‌زایی تصادفی یک روش سنتی در مهندسی پروتئین است، اما این روش به طور معمول نتایج بسیار زیادی را به‌وجود می‌آورد و اغلب به روش‌های غربالگری بسیار کارآمد نیاز دارد. یک روش بهتر، استفاده از چندین دور تکراری جهش با محدودیت‌ها یا استانداردهای انتخابی خاص است که می‌تواند نتایج کمتری ایجاد کند و معمولاً کارآمدتر از جهش‌زایی تصادفی است. علاوه بر این، انتخاب مبتنی بر زیست‌حسگر‌ها به راحتی می تواند انواع پروتئین‌ها را با خواص مطلوب شناسایی کرده و در نتیجه غربالگری با بازده بالا و کارایی بیشتر را امکان‌پذیر می‌کند.

مجموعه‌ای از ابزار‌های محاسباتی برای مهندسی پروتئین‌ها ، مانند مدل سازی همسانی (برای تعیین ساختار پروتئین )، اتصال مولکولی (برای بررسی فعل و انفعالات بین پروتئین‌ها و بسترها)، متادینامیک (برای تخمین انرژی آزاد و سایر عملکردهای سیستم) و مدل‌های مارکوف (برای درک ساختاری پروتئین‌ها و تجزیه و تحلیل کمی شبیه‌سازی های دینامیکی مولکولی) ساخته شده‌است. با این حال، این فرایندهای شبیه‌سازی به شدت تحت تأثیر پارامترهای ورودی قرار دارند. بنابراین مدلسازی محاسباتی، اگرچه در بسیاری از شرایط می‌تواند مؤثر باشد، اما همیشه نمی‌تواند راهنمایی دقیقی برای مهندسی آنزیم ارائه دهد. حتی وقتی ساختار پروتئین و مکانیسم واکنش آن کاملاً درک شده باشد، پیش‌بینی اثر هر جایگزینی اسید آمینه هنوز هم چالش برانگیز است. الگوریتم‌های مدلسازی تعامل لیگاند‌ها و پروتئین‌ها برای شبیه سازی بهتر پروتئین‌های بزرگتر و پیچیده‌تر، باید ساده و بهینه شوند. حسگرهای زیستی گسترش یافته‌اند تا نه تنها ترکیبات خاص بلکه انواع سیگنال‌های محیطی مانند pH ، دما و نور را نیز تشخیص دهند. از آنجا که حسگر‌های زیستی می توانند خصوصیات درون سلولی را به خروجی‌هایی که به راحتی قابل تشخیص هستند تبدیل کنند ، بنابراین در غربالگری موثر با توان عملیاتی بالا، اهمیت بیشتری خواهند داشت.

توسعه بیشتر مهندسی پروتئین به کمک زیست شناسی ساختاری، بیوشیمی و زیست شناسی محاسباتی نیاز دارد. به دست آوردن ساختارهای کریستالی پروتئین‌های پیچیده، به عنوان مثال قسمت‌های آنزیمی یا پروتئین‌های غشایی هنوز دشوار است، اما توضیح آنها ممکن است برای کشف مکانیسم‌های جدید و درک بیشتر از فعالیت پروتئین مفید باشد. برای پیش بینی دقیق‌تر و طراحی منطقی در مهندسی پروتئین، اطلاعات ساختاری و مکانیزم واکنش دقیق لازم است.

در حال حاضر می توان طیف وسیعی از ساختار‌ها مانند شبکه‌های پیوند هیدروژنی و رشته‌های پروتئین را از ابتدا با دقت در سطح اتم طراحی کرد. علی‌رغم پیشرفت امیدوار کننده ، طراحی کامل یک پروتئین جدید با عملکردهای پیچیده ، خصوصاً با توجه به دقت موجود در شبیه‌ساز‌های کامپیوتری، هنوز دشوار است. با این وجود، پیش‌بینی محاسباتی ساختار یا عملکرد پروتئین جدید از تجزیه و تحلیل تغییرات در ساختار پروتئین، همراه با تغییرات توالی آسان تر است.

 

 

 

 

کلید واژه ها: #بیوتکنولوژی #مهندسی پروتئین #طراحی پروتئین #زیست حسگر #فرآورده سلولی