موضوع مقاله: سنتز پروتئین بدون سلول | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # سنتز پروتئین بدون سلول | مقدمه: سنتز پروتئین بدون سلول، که به عنوان سنتز پروتئین آزمایشگاهی یا CFPS نیز شناخته می‌شود، تولید پروتئین با استفاده از ماشین آلات بیولوژیکی در یک سیستم بدون سلول است، یعنی بدون استفاده از سلولهای زنده. | ## بخش 1: سنتز پروتئین بدون سلول | محیط سنتز پروتئین در شرایط آزمایشگاهی محدود به شرایط دیواره سلولی یا شرایط هموستاز لازم برای زنده ماندن سلول نیست. بنابراین، CFPS امکان دسترسی مستقیم و کنترل محیط انتقال را فراهم می‌کند که برای تعدادی از کاربردها از جمله بهینه‌سازی تولید پروتئین، ترکیب اسیدهای آمینه غیرطبیعی، برچسب زدن انتخابی و خاص سایت سودمند است. با توجه به ماهیت باز سیستم، می‌توان شرایط مختلف مانند pH، پتانسیل ردوکس، دما و شپرون را مورد بررسی قرار داد. مقدمه اجزای متداول یک واکنش بدون سلول شامل عصاره سلول، منبع انرژی، تأمین اسیدهای آمینه، کوفاکتورهای منیزیم و DNA با ژنهای مورد نظر می باشد. عصاره سلولی با لیز کردن سلول موردنظر و سانتریفیوژ کردن دیواره‌های سلولی، ژنوم DNA و سایر بقایای آن بدست می‌آید. بقایا، ماشین‌های سلولس لازم هستند که شامل ریبوزومها ، سنتزهای آمینواسیل-tRNA ، انتقالهای اولیه و عوامل کشیدگی، نوکلئازها و غیره است. LETها می‌توانند بسیار مؤثرتر از طریق PCR ساخته شوند، که DNA را خیلی سریعتر از افزایش سلول‌ها در انکوباتور تکرار می‌کند. معمولاً، یک مخلوط جداگانه حاوی منبع انرژی مورد نیاز به همراه منبع اسیدهای آمینه، برای واکنش به عصاره اضافه می‌شود. مزایا و برنامه‌های کاربردی CFPS نسبت به سنتز داخل بدن پروتئین‌ها دارای مزایای بسیاری است. قابل توجه‌ترین، واکنش بدون سلول، از جمله آماده‌سازی عصاره، معمولاً ۱ تا ۲ روز طول می‌کشد، در حالی که بیان پروتئین داخل بدن ممکن است ۱–۲ هفته طول بکشد. | ## بخش 2: سنتز پروتئین بدون سلول | نمونه‌ها به راحتی گرفته می‌شوند، غلظت‌ها بهینه می‌شوند و می‌توان واکنش را کنترل کرد. در مقابل، پس از وارد شدن DNA به سلولهای زنده، تا زمان به پایان رسیدن رسیدن سلول و لیز شدن سلولها، این واکنش قابل دسترسی نیست. برخی از پروتئین‌های مورد نظر و پروتئین‌های برچسب زده شده هنگام سنتز برای سلول‌ها سمی هستند. از آنجا که از سلولهای زنده استفاده نمی‌شود، سمیت پروتئین محصول جای نگرانی مهمی نیست. کاربرد عمده CFPS ترکیب اسیدهای آمینه غیرطبیعی در ساختار پروتئین است (کد ژنتیکی گسترش یافته را ببینید). بازبودن واکنش برای درج tRNAهای اصلاح شده و اسیدهای آمینه غیرطبیعی که برای چنین واکنشی لازم است، ایده‌آل است. زیست‌شناسی مصنوعی کاربردهای دیگری دارد و در زمینه‌هایی مانند تکامل پروتئین، نانوماشین‌ها، مدارهای اسید نوکلئیک و سنتز ذرات شبیه ویروس برای واکسن‌ها و دارو درمانی آینده ای روشن است. محدودیت‌ها یکی از چالش‌های مرتبط با CFPS تخریب DNA توسط هسته‌های درون زا در عصاره سلول است. از آنجا که پلاسمیدها به صورت دایره ای هستند و انتهایی برای آن وجود ندارد که اگزونوکلئازها بتوانند به آن وصل شوند، تحت تأثیر دومی قرار نمی‌گیرند. یک نمونه از این محافظت بهبود یافته با پلاسمیدها استفاده از پروتئین باکتری‌خوارهای لامبدا گام است. | ## بخش 3: سنتز پروتئین بدون سلول | عصاره خالص همچنین می‌تواند ساخته شود و نگرانی از اگزونوکلئازها را از بین می‌برد. تهیه این عصاره‌ها گران است و در حال حاضر یک راه حل اقتصادی برای مسئله تخریب DNA اگزوژن نیست. coli می‌توان به راحتی رشد کرده‌است، و سپس به راحتی از طریق استفاده از لیز همگن‌ساز یا فراصوت. با این حال، تولید با بازده بالا می‌تواند پیچیدگی پروتئین سنتز شده، به ویژه در اصلاح پس از انتقال را محدود کند. در این راستا، سیستم‌های یوکاریوتیک با کارایی پایین‌تر می‌توانند سودمند باشند، به شرطی که سیستم‌های آنزیمی اصلاح شده در عصاره‌ها حفظ شده باشند. هنگام انتخاب یک عصاره، نوع اصلاح پس از انتقال، بازده مطلوب و هزینه باید در نظر گرفته شود. تاریخ سنتز پروتئین بدون سلول بیش از ۶۰ سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرد، و مشخصاً اولین توضیح یک کدون توسط مارشال نیرنبرگ و هاینریش جی متیایی در سال ۱۹۶۱ در انستیتوی ملی بهداشت انجام شد. آنها از یک سیستم عاری از سلول برای ترجمه یک توالی RNA پلی اوراسیل (یا UUUUU … به صورت بیوشیمیایی) استفاده کردند و دریافتند که پلی پپتیدی که آنها سنتز کرده‌اند فقط از اسید آمینه فنیل آلانین تشکیل شده‌است. بدین ترتیب آنها از این پلی فنیل آلانین نتیجه گرفتند که کد UUU فنیل آلانین اسید آمینه را مشخص کرده‌است. | ## جمع‌بندی | با گسترش این کار، نیرنبرگ و همکارانش توانستند آرایش نوکلئوتیدی هر کدون را تعیین کنند.