تولید پروتئین

تولید پروتئین به یک فرایند زیست فناوری گفته می‌شود که در آن یک پروتئین خاص تولید می‌گردد. این کار عموماً توسط دستکاری در بیان ژنی یک جاندار به منظور تولید بالای ژن نوترکیب انجام می‌گردد. این فرایند شامل رونویسی از DNA ی نوترکیب به RNA پیام‌رسان و سپس ترجمه RNA پیام‌رسان به رشته‌های پلی پپتید است که نهایتاً به پروتئین عملکردی فولد می‌شود.Gräslund, Susanne; et al. (February 2008). "Protein production and purification". Nature Methods. 5 (2): 135–146. PMC 3178102. PMID 18235434. doi:10.1038/nmeth.f.202.

سامانه‌های تولید پروتئین در علوم زیستی، زیست فناوری و پزشکی کاربرد دارند. تحقیقات بیولوژی مولکولی از تعداد زیادی پروتئین و آنزیم (که بسیاری از آن‌ها در سیستم‌های بیانی دخیلند) استفاده می‌کند. از جمله این آنزیم‌ها می‌توان به DNA پلیمراز(DNA polymerase) اشاره کرد. با کمک این پروتئین‌ها و آنزیم‌ها، پروتئین‌هایی ساخته می‌شوند که به عنوان یک عامل هدف بیولوژی یا داروی بالقوه کاربرد دارند. همچنین سیستم‌های بیانی در فرمنتاسیون صنعتی بخصوص در تولید زیست دارو از قبیل انسولین و همچنین تولید آنزیم‌ها کاربرد فراوانی دارند.

 سیستم‌های تولید پروتئین 
سیستم‌های متداول تولید پروتئین شامل سلول‌های مشتق شده از باکتری،Baneyx F (October 1999). "Recombinant protein expression in Escherichia coli". Curr. Opin. Biotechnol. 10 (5): 411–21. PMID 10508629. doi:10.1016/s0958-1669(99)00003-8. مخمر3- Cregg JM, Cereghino JL, Shi J, Higgins DR (September 2000). "Recombinant protein expression in Pichia pastoris". Mol. Biotechnol. 16 (1): 23–52. PMID 11098467. doi:10.1385/MB:16:1:23.و،4- Malys N, Wishart JA, Oliver SG, McCarthy JE (2011). "Protein production in Saccharomyces cerevisiae for systems biology studies". Methods Enzymol. 500: 197–212. PMID 21943899. doi:10.1016/B978-0-12-385118-5.00011-6. باکولوویروس-حشرهKost TA, Condreay JP, Jarvis DL (May 2005). "Baculovirus as versatile vectors for protein expression in insect and mammalian cells". Nat. Biotechnol. 23 (5): 567–75. PMID 15877075. doi:10.1038/nbt1095. و پستانداران6- Rosser MP, Xia W, Hartsell S, McCaman M, Zhu Y, Wang S, Harvey S, Bringmann P, Cobb RR (April 2005). "Transient transfection of CHO-K1-S using serum-free medium in suspension: a rapid mammalian protein expression system". Protein Expr. Purif. 40 (2): 237–43. PMID 15766864. doi:10.1016/j.pep.2004.07.015.و7- Lackner A, Genta K, Koppensteiner H, Herbacek I, Holzmann K, Spiegl-Kreinecker S, Berger W, Grusch M (September 2008). "A bicistronic baculovirus vector for transient and stable protein expression in mammalian cells". Anal. Biochem. 380 (1): 146–8. PMID 18541133. doi:10.1016/j.ab.2008.05.020. است. اخیراً قارچ‌های رشته‌ای از جمله Myceliophthora thermophilaVisser, Hans; Joosten, Vivi; Punt, Peter J. ; Gusakov, Alexander V. ; Olson, Phil T. ; Joosten, Rob; Bartels, Jeffrey; Visser, Jaap; Sinitsyn, Arkady P. (2011-06-01). "RESEARCH: Development of a mature fungal technology and production platform for industrial enzymes based on a Myceliophthora thermophila isolate, previously known as Chrysosporium lucknowense C1". Industrial Biotechnology. 7 (3): 214–223. ISSN 1550-9087. doi:10.1089/ind.2011.7.214. نیز در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند.
قدیمی‌ترین و متداول‌ترین نوع سیستم‌های بیانی، سیستم‌های بر پایه سلول است. این سیستم در واقع ترکیبی از یک وکتور بیانی، DNA ی کلون شده و میزبانی برای وکتور است. این عوامل سبب می‌شود که ژن خارجی بتواند در یک سلول میزبان فعال شود و پروتئین مورد نظر را تولید کند9- "Definition: expression system". Online Medical Dictionary. Centre for Cancer Education, University of Newcastle upon Tyne: Cancerweb. 1997-11-13. Retrieved 2008-06-10. و.10- "Expression system - definition". Biology Online. Biology-Online.org. 2005-10-03. Retrieved 2008-06-10.
راه‌های بسیار زیادی به منظور وارد کردن DNA ی خارجی به سلول میزبان وجود دارد. همچنین سلولهای میزبان که به منظور بیان استفاده می‌شود نیز بسیار مختلف اند. هر کدام از این سیستم‌های بیانی، مزایا و معایب خاص خود را دارند. باکتریها (از جمله ای کلای و باسیلوس سوبتیلیس)، مخمرهایی مانند ساکارومیسزسرویسیه۴ و لاین‌های سلولی یوکاریوتی از جمله میزبان‌های متداول هستند. همچنین ویروس‌ها (از جمله باکولوویروس، رتروویروس و آدنوویروس)، پلاسمید‌ها، کروموزوم‌های مصنوعی و باکتریوفاژها (از جمله لامبدا) از منابع DNA و مکانیسم‌های انتقال دهنده متداولند.
بیان مناسب در یک سیستم بیانی، به ژن‌های در گیر در آن بستگی دارد. به عنوان مثال ساکارومایسز سرویسیه برای پروتئین‌هایی که نیازمند تغییرات پس از ترجمه هستند، اولویت دارد. لاین‌های سلولی پستانداران و حشرات در زمانی استفاده می‌شود که RNA ی پیام‌رسان نیازمند پیرایش (splicing) باشد. تولید آسان و مقادیر بالای پروتئین نیز از مزایای بیان پروتئین در باکتری هاست. اما از آنجایی که باکتری‌ها، پروکاریوت هستند، به همه آنزیم‌های لازم جهت ایجاد تغییرات پس از ترجمه و فولدینگ مولکولی مجهز نیستند؛ بنابراین، پروتئین‌های چند دومینی یوکاریوتی(multi-domain eukaryotic proteins) که در باکتری‌ها بیان می‌شوند معمولاً فاقد عملکرد خواهند بود.
همچنین بسیاری از پروتئین‌ها نا محلول بوده و ایجاد اینکلوژن بادی می‌کنند. بازکردن این پروتئین‌ها از هم و برگرداندن ساختار طبیعی آن‌ها بدون این که دناتوره شوند مشکل است.
به منظور فایق آمدن بر این مشکل و امکان تولید پروتئین با ساختاری نزدیک تر به موجودات یوکاریوتی، سیستم‌های بیانی سلول‌های یوکاریوتی ساخته شدند. سلول‌های گیاهی (مانند تنباکو)، سلول‌های حشرات یا پستانداران (مانند گاو) با ژن‌ها ترنسفکت شده‌اند و به منظور تولید پروتئین با فولدینگ مناسب در سوسپانسوین یا حتی بافت یا موجود کامل کشت داده شده‌اند. هر چند که سیستم‌های بیانی پستانداران در شرایط درون بدنی(in vivo) بازدهی پایینی دارند و با دیگر محدودیت‌ها نیز همراه‌اند.
گروه دیگری از سیستم‌های بیانی نیز ایجاد شده‌اند که حاصل تلفیق سیستم‌های بیانی پروکاریوتی و یوکاریوتی هستند. با کمک این سیستم‌ها، امکان تولید مقادیر بالای پروتئین فراهم می‌شود و در عین حال سیستم دارای قدرت انجام تغییرات اپی ژنتیک پیشرفته است. این نوع سیستم در واقع با استفاده از یوکاریوت‌های تک سلولی مانند سلول‌های غیر بیماری زای لیشمانیا ایجاد شده‌است.

 سیستم‌های باکتریایی 
 اشرشیا کولی 
اشرشیا کولی یکی از میزبان‌های بیانی است که به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرد. به منظور بیان، DNA در داخل یک وکتور بیانی پلاسمیدی قرار می‌گیرد. روش‌های افزایش بیان در E.coli به خوبی شناخته شده‌اند.

 کورینه باکتریوم 
سویه‌های غیر بیماریزای گرم مثبت کورینه باکتریوم در تولید صنعتی اسید آمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. از سویه C. glutamicum به وفور به منظور تولید گلوتامات و لیزین،11- Brinkrolf, K; Schröder, J; Pühler, A; Tauch, A (2010). "The transcriptional regulatory repertoire of Corynebacterium glutamicum: reconstruction of the network controlling pathways involved in lysine and glutamate production". J Biotechnol. 149 (3): 173–82. doi:10.1016/j.jbiotec.2009.12.004. ترکیبات خون انسان، غذای دام و دارو استفاده می‌شود.

 سودوموناس فلوئورسنس 
این باکتری از انواع غیر بیماری زا و گرم منفی است. از این سویه عمدتاً به منظور بهبود زیست درمانی(biotheraputics) و واکسن استفاده می‌شود.12- Retallack, Jin; Chew (2011). "Reliable Protein Production in a Pseudomonas fluorescens Expression System". Protein Expression and Purification. 81: 157–65.

 سیستم‌های یوکاریوتی 
 ساکارومیسز سرویسیه و پیکیا پاستوریس 
S. cerevisiae از سیستم‌های بیانی مخمر است که عموماً مورد استفاده قرار می‌گیرد و به خوبی شناخته شده‌است. سیستم‌هایی بیانی Pichia pastoris تولید پایدار و مداوم پروتئین با بازدهی بالا را ممکن می‌سازند.

 قارچ رشته‌ای 
قارچ‌های رشته‌ای خصوصاً آسپرژیلوس و تریکودرما و اخیراً Myceliophthora thermophila C1 به صورت پلتفورم بیانی توسعه پیدا کرده‌اند و به منظور شناسایی و تولید آنزیم‌های صنعتی مختلف کاربرد دارند.8- Visser, Hans; Joosten, Vivi; Punt, Peter J. ; Gusakov, Alexander V. ; Olson, Phil T. ; Joosten, Rob; Bartels, Jeffrey; Visser, Jaap; Sinitsyn, Arkady P. (2011-06-01). "RESEARCH: Development of a mature fungal technology and production platform for industrial enzymes based on a Myceliophthora thermophila isolate, previously known as Chrysosporium lucknowense C1". Industrial Biotechnology. 7 (3): 214–223. ISSN 1550-9087. doi:10.1089/ind.2011.7.214.

 سلول آلوده به باکولوویروس(Baculovirus-infected cells) 
پروتئین‌های گلیکوزیله یا غشایی را که نمی‌توان از طریق مخمر یا سلول‌های پروکاریوتی بیان کرد را می‌توان با سلول‌های حشره‌ای آلوده(Infected insect cells)13- Altmann, Friedrich; Staudacher, E; Wilson, IB; März, L (1999). "Insect cells as hosts for the expression of recombinant glycoproteins". Glycoconjugate Journal. 16 (2): 109–23. PMID 10612411. doi:10.1023/A:1026488408951 یا سلول‌های پستانداران14- Kost, T; Condreay, JP (1999). "Recombinant baculoviruses as expression vectors for insect and mammalian cells". Current Opinion in Biotechnology. 10 (5): 428–33. PMID 10508635. doi:10.1016/S0958-1669(99)00005-1. (HeLa, HEK 293) تولید کرد.15- Altmann, Friedrich; Staudacher, Erika; Wilson, Iain B. H. ; März, Leopold (February 1999). "Insect cells as hosts for the expression of recombinant glycoproteins". Glycoconjugate Journal. 16 (2): 109–123. ISSN 0282-0080. PMID 10612411. doi:10.1023/A:1026488408951 این سیستم‌های بیانی برای تولید پروتئین‌ها با مقیاس بالا کاربر دارند. اما بیان ژن‌ها در آن‌ها تداوم ندارد. چراکه سلول‌های میزبان آلوده(infected) به تدریج طی هر چرخهٔ infection لیز شده و می‌میرند.16- Yin, Jiechao; Li, Guangxing; Rena, Xiaofeng; Herrler, Georg (2007). "Select what you need: A comparative evaluation of the advantages and limitations of frequently used expression systems for foreign genes". Journal of Biotechnology. 127: 335–347. doi:10.1016/j.jbiotec.2006.07.012

 بیان سلول حشره‌ای غیر لیتیک(Non-lytic insect cell expression) 
بیان سلول‌های حشره‌ای غیر لیتیک جایگزینی برای سیستم بیانی باکولوویروس لیتیکی است. سیستم غیر لیتیکی بازدهی بالاتری در بیان پروتئین دارند و بیان ژن‌ها در مقایسه با بیان سلول آلوده به باکولوویروس baculovirus-infected cell)) سریعتر است.17- Olczak, Mariusz; Olczak, Teresa (2006). "Comparison of different signal peptides for protein secretion in nonlytic insect cell system". Analytical Biochemistry. 359: 45–53. PMID 17046707. doi:10.1016/j.ab.2006.09.003.

 لیشمانیا 
Protozoan Leishmania tarentolae(یک سویه غیر بیماری زا) یک سیستم بیانی است که امکان تولید پایدار و مداوم پروتئین را با بازدهی بالا و محیط شیمیایی معلوم فراهم می‌کند. پروتئین‌هایی که در این سیستم بیان می‌شوند، به‌طور کامل تغییرات پس از ترجمه شامل گلیکوزیلاسیون و شکل گیری باند دی‌سولفیدی را دارا هستند.

 سیستم‌های پستانداران 
متداول‌ترین سیستم‌های بیانی در پستانداران، سلول‌های تخمدان همستر چینی (CHO) و سلول‌های کلیه جنین انسان(HEK) است.18- Zhu, Jianwei (2012-09-01). "Mammalian cell protein expression for biopharmaceutical production". Biotechnology Advances. 30 (5): 1158–1170. doi:10.1016/j.biotechadv.2011.08.022.19- Almo, Steven C; Love, James D (2014-06-01). "Better and faster: improvements and optimization for mammalian recombinant protein production". Current Opinion in Structural Biology. New constructs and expression of proteins / Sequences and topology. 26: 39–43. PMC 4766836. PMID 24721463. doi:10.1016/j.sbi.2014.03.006.20- Hacker, David L; Balasubramanian, Sowmya (2016-06-01). "Recombinant protein production from stable mammalian cell lines and pools". Current Opinion in Structural Biology. New constructs and expression of proteins • Sequences and topology. 38: 129–136. doi:10.1016/j.sbi.2016.06.005.

 سیستم‌های فاقد سلول 
تولید پروتئین‌ها بدون استفاده از سلول، در شرایط آزمایشگاهی و با استفاده از RNA پلیمراز، ریبوزوم‌ها، tRNA و ریبونوکلئوتیدهای خالص انجام می‌گیرد. این عناصر ممکن است از طریق استخراج از سلول‌ها یا از یک سیستم بیانی بر پایه سلول تولید شوند. به علت مقادیر پایین بیان و هزینه بالای سیستم‌های فاقد سلول، سیستم‌های بر پایه سلول به میزان بیشتری مورد استفاده قرار می‌گیرند.21- Rosenblum, G; Cooperman, BS (Jan 2014). "Engine out of the chassis: cell-free protein synthesis and its uses". FEBS Lett. 588 (2): 261–8. PMC 4133780. PMID 24161673. doi:10.1016/j.febslet.2013.10.016.

 منابع 

رده:بیان ژن
رده:زیست‌فناوری