مقدمه‌ای بر تولید پروتئین در سویه بیانی
تولید پروتئین در سویه بیانی یکی از مهم‌ترین فرآیندهای مهندسی ژنتیک است که در صنایع مختلف از جمله داروسازی، کشاورزی، تولید واکسن‌ها، و تحقیق و توسعه استفاده می‌شود. این فرآیند شامل انتقال ژن‌های مورد نظر به یک سیستم بیانی (معمولاً یک باکتری، مخمر یا سلول‌های یوکاریوتی) است که پس از ترجمه و تبدیل به پروتئین هدف، این پروتئین‌ها برای اهداف مختلف مانند تحقیق، درمان بیماری‌ها، یا تولید داروهای بیولوژیکی استفاده می‌شوند.
سویه‌های بیانی که به‌طور رایج برای تولید پروتئین‌ها استفاده می‌شوند، شامل انواع مختلف باکتری‌ها مانند Escherichia coli، مخمرها مانند Saccharomyces cerevisiae، و سیستم‌های یوکاریوتی مانند سلول‌های CHO (سلول‌های تخم‌مرغ چینی انسانی) هستند. یکی از دلایل انتخاب این سیستم‌ها این است که آن‌ها قادر به رشد سریع و تولید مقادیر زیادی از پروتئین‌های نوترکیب در شرایط کنترل‌شده هستند.
انتقال ژن به سویه‌های بیانی
در ابتدا، ژن کدکننده پروتئین هدف به یک وکتور انتقال‌دهنده (مانند پلاسمید) منتقل می‌شود. وکتورها اغلب دارای تسهیلاتی هستند که به تولید پروتئین در سویه‌های بیانی کمک می‌کنند. این وکتورها معمولاً شامل یک پروموتور (برای کنترل شروع رونویسی)، یک ناحیه علامتی (برای شناسایی سلول‌هایی که موفق به دریافت وکتور شده‌اند)، و تسهیلاتی برای بیان در شرایط خاص می‌باشند.
سویه‌های بیانی معمولاً با استفاده از تکنیک‌های انتقال ژن مانند الکتروپوریشن (در باکتری‌ها)، تغذیه با DNA نوترکیب یا استفاده از ویروس‌ها برای انتقال به سلول‌های یوکاریوتی به ترانسفورم می‌شوند. برای مثال، در باکتری‌ها، الکتروپوریشن از طریق استفاده از یک میدان الکتریکی موجب نفوذ مولکول‌های DNA به داخل غشای سلولی می‌شود.
انتخاب سویه‌های بیانی مناسب
انتخاب سویه مناسب برای تولید پروتئین بستگی به ویژگی‌های پروتئین، سیستم بیانی و شرایط مورد نظر دارد. برای تولید پروتئین‌های ساده یا پروتئین‌هایی که نیاز به تغییرات پیچیده گلیکوزیلاسیون ندارند، سویه‌های باکتریایی مانند E. coli معمولاً انتخاب می‌شوند. این سیستم‌ها سریع و ارزان هستند و تولید پروتئین در مقیاس بزرگ را ممکن می‌سازند.
با این حال، در صورتی که پروتئین هدف نیاز به فرآوری‌هایی مانند گلیکوزیلاسیون دارد، سیستم‌های یوکاریوتی مانند مخمرها یا سلول‌های CHO بهتر عمل می‌کنند. این سیستم‌ها قادر به افزودن گروه‌های قند به پروتئین‌ها هستند که برای عملکرد صحیح بسیاری از پروتئین‌ها ضروری است.
بیان پروتئین در سیستم‌های باکتریایی
در سیستم‌های باکتریایی مانند E. coli، پروتئین هدف معمولاً پس از انتقال ژن به سلول‌های باکتریایی بیان می‌شود. پروموتورهایی مانند T7، که در این سیستم‌ها استفاده می‌شوند، به محض ورود به مرحله مناسب، رونویسی ژن هدف را آغاز می‌کنند.
این روش به‌ویژه در صورتی که پروتئین هدف یک پروتئین ساده و فاقد پیچیدگی‌های ساختاری باشد، بسیار مؤثر است. پروتئین‌های تولیدشده در این سیستم‌ها معمولاً در سیتوپلاسم سلول‌ها تجمع می‌کنند که ممکن است به صورت بدن‌های انسولیدی درآیند. این بدن‌ها از تجمع پروتئین‌های بی‌ساختار یا نیمه‌ساختاری تشکیل شده‌اند و برای فرآوری و تبدیل به پروتئین‌های قابل استفاده به روش‌های مختلفی مانند شستشو و یا تخریب بدن‌های انسولیدی، نیاز به پردازش دارند.
بیان پروتئین در سیستم‌های یوکاریوتی
در سویه‌های یوکاریوتی، مانند مخمرها یا سلول‌های CHO، پروتئین‌ها به‌طور معمول در لوله‌های درون‌سلولی یا خارج از سلول ترشح می‌شوند. این سیستم‌ها به‌ویژه برای تولید پروتئین‌هایی که نیاز به فرآوری‌های پس از ترجمۀ پیچیده مانند گلیکوزیلاسیون دارند، بسیار مناسب هستند. مثلاً پروتئین‌های درمانی مانند انسولین یا آنتی‌بادی‌های مونوکلونال در این سیستم‌ها تولید می‌شوند.
در این سیستم‌ها، بعد از ترانسفورمیشن سلولی و بیان پروتئین، پروتئین معمولاً به داخل فضای خارج سلولی یا درون دستگاه‌های سلولی مانند دستگاه گُلژی ترشح می‌شود که برای افزودن اصلاحات پس از ترجمه‌ای مانند گلیکوزیلاسیون مفید است. این اصلاحات برای عملکرد درست بسیاری از پروتئین‌ها، به‌ویژه در پروتئین‌های درمانی و واکسن‌ها، ضروری هستند.
افزایش بهره‌وری در تولید پروتئین
در تولید پروتئین‌های نوترکیب، چالش‌ها و مسائل مختلفی وجود دارند که می‌تواند بر بهره‌وری و کیفیت تولید تأثیر بگذارد. یکی از بزرگ‌ترین مشکلات در سیستم‌های باکتریایی، تولید پروتئین در شرایط انباشت بدن‌های انسولیدی است. این مسئله می‌تواند مانع از تصفیه و استفاده مؤثر از پروتئین‌ها شود. برای مقابله با این مشکل، روش‌هایی مانند استفاده از پروموتورهای قابل کنترل، تغییر در شرایط کشت، و بهینه‌سازی دما و زمان القا برای افزایش کارایی بیان پروتئین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در سیستم‌های یوکاریوتی، تولید پروتئین‌های نوترکیب می‌تواند نیازمند کنترل دقیق‌تر شرایط کشت باشد، زیرا سلول‌ها ممکن است به راحتی از نظر منابع غذایی یا شرایط رشد متغیر دچار استرس شده و نتایج تولیدی را کاهش دهند. بنابراین، مدیریت دقیق بر فرآیندهای تغذیه، دما، pH و تهویه ضروری است.
تصفیه پروتئین‌های نوترکیب
پس از بیان پروتئین در سویه‌های بیانی، مرحله بعدی تصفیه پروتئین است که پروتئین هدف باید از سایر پروتئین‌ها و مواد سلولی جدا شود. این مرحله می‌تواند شامل روش‌هایی مانند کروماتوگرافی تبادل یونی، کروماتوگرافی لایه‌ای معکوس، یا استفاده از آنتی‌بادی‌های خاص برای جداسازی پروتئین‌ها باشد. یکی از تکنیک‌های رایج برای تصفیه پروتئین‌های نوترکیب، استفاده از ناحیه‌های هپارینی یا سایر نواحی اتصال به فلزات (مانند 6-His یا His-tag) در وکتورهای انتقال است که امکان جداسازی ساده پروتئین‌های نوترکیب را فراهم می‌آورد.
در نهایت، تولید پروتئین‌های نوترکیب در سویه‌های بیانی، از انتخاب مناسب سویه و وکتور تا مراحل تصفیه، باید با دقت و به‌طور کامل مدیریت شود تا نه‌تنها به‌طور مؤثر پروتئین تولید شود بلکه کیفیت و خلوص محصول نهایی نیز تضمین گردد. این فرآیندها در تولید داروهای بیولوژیکی، واکسن‌ها و سایر محصولات بیولوژیک نقش حیاتی دارند و به همین دلیل، بهینه‌سازی هر مرحله از آن‌ها برای تولید به‌صرفه و مؤثر اهمیت زیادی دارد.
همچنین بخوانید:
