Metódy čistenia proteínov v biotechnológii

Dôležitou súčasťou biotechnologického výskumu je použitie techník proteínového inžinierstva na navrhovanie alebo úpravu proteínov. Tieto techniky purifikácie proteínov optimalizujú vlastnosti proteínov pre špecifické priemyselné aplikácie.

Tieto techniky vyžadujú vedcov, aby izolovali a purifikovali požadované proteíny, aby bolo možné študovať ich konformácie a substrátové špecificity. Vyžaduje sa tiež štúdium reakcií s inými ligandami (proteín, ktorý sa viaže na receptorový proteín) a špecifických enzýmových aktivít.

Požadovaný stupeň čistoty proteínu závisí od zamýšľaného konečného použitia proteínu. Na niektoré aplikácie postačuje surový extrakt. Vyžaduje sa vysoká miera čistoty pri iných použitiach, napríklad v potravinách a farmaceutických výrobkoch. Niekoľko techník pre proteínové čistenie sa používajú na dosiahnutie požadovanej úrovne čistoty.

Každý krok purifikácie proteínu obvykle vedie k určitému stupňu straty produktu. Preto ideálna stratégia purifikácie proteínov je taká, v ktorej je najvyššia úroveň purifikácie dosiahnutá v niekoľkých málo krokoch.

Výber krokov, ktoré sa majú použiť, závisí od veľkosti, náboja, rozpustnosti a ďalších vlastností cieľového proteínu. Na čistenie jedného cytosolového proteínu sú najvhodnejšie nasledujúce techniky.

Čistenie komplexov cytosolových proteínov je komplikovanejšie a zvyčajne si vyžaduje použitie rôznych metód.

Prvým krokom čistenia intracelulárnych proteínov (vo vnútri bunky) je príprava surového extraktu. Extrakt bude obsahovať komplexnú zmes všetkých proteínov z bunkovej cytoplazmy a niektoré ďalšie makromolekuly, kofaktory a živiny.

Tento surový extrakt sa môže použiť na niektoré aplikácie v biotechnológii. Ak je však čistota problémom, musia sa dodržať následné kroky čistenia. Surové proteínové extrakty sa pripravujú odstránením bunkových zvyškov generovaných bunkovou lýzou, čo sa dosahuje pomocou chemikálií, enzýmy, sonikácia alebo francúzska tlač.

Zvyšky sa odstránia odstredením a získa sa supernatant (tekutina nad pevným zvyškom). Surové prípravky extracelulárnych proteínov (mimo bunky) sa môžu získať jednoduchým odstránením buniek odstredením.

Určite biotechnológie V aplikáciách existuje dopyt po termostabilných enzýmoch - enzýmoch, ktoré tolerujú vysoké teploty bez denaturácie, pri zachovaní vysokej špecifickej aktivity.

Organizmy, ktoré produkujú tepelne odolné proteíny, sa niekedy nazývajú extrémofily. Ľahkým prístupom k purifikácii proteínu odolného voči teplu je denaturovať ostatné proteíny v zmesi zahrievanie, potom ochladenie roztoku (čím sa umožní, aby sa termostabilný enzým reformoval alebo znovu rozpustil, ak je to nutné). Denaturované proteíny sa potom môžu odstrániť odstredením.

moderný biotech Protokoly často využívajú množstvo komerčne dostupných súprav alebo metód, ktoré poskytujú hotové riešenia štandardných postupov. Čistenie proteínov sa často uskutočňuje pomocou filtrov a pripravených gélových filtračných kolón.

Postupujte podľa pokynov na dialyzačnej súprave a pridajte správny objem správneho roztoku a počkajte na stanovenú dobu, počas ktorej sa eluent (rozpúšťadlo prechádza kolónou) zhromažďuje v čerstvom teste trubica.

Chromatografické metódy sa môžu použiť pomocou stolových kolón alebo automatizovaného HPLC zariadenia. Separácia pomocou HPLC sa môže uskutočňovať metódami s reverznou fázou, iónovou výmenou alebo vylučovaním podľa veľkosti a vzorky detegované pomocou diódového poľa alebo laserovej technológie.

V minulosti bol bežným druhým krokom purifikácie proteínu zo surového extraktu zrážanie v roztoku s vysokou osmotickou silou (t.j. soľné roztoky). Zrážanie proteínov sa zvyčajne uskutočňuje pomocou síranu amónneho ako soli. Nukleové kyseliny v surovom extrakte sa môžu odstrániť vyzrážaním agregátov vytvorených so streptomycín sulfátom alebo protamíniumsulfátom.

Vyzrážanie solí zvyčajne nevedie k vysoko čistenému proteínu, ale môže pomôcť pri eliminácii niektorých nežiaducich proteínov v zmesi a koncentrácii vzorky. Soli v roztoku sa potom odstránia dialýzou cez poréznu celulózovú hadičku, filtráciu alebo gélovú vylučovaciu chromatografiu.

Rôzne proteíny sa vyzrážajú v rôznych koncentráciách síranu amónneho. Všeobecne sa proteíny s vyššou molekulovou hmotnosťou vyzrážajú v nižších koncentráciách síranu amónneho.

Chromatografia na reverznej fáze (RPC) oddeľuje proteíny na základe ich relatívnych hydrofóbností (vylúčenie nepolárnych molekúl z vody). Táto technika je vysoko selektívna, ale vyžaduje použitie organických rozpúšťadiel.

Niektoré proteíny sú permanentne denaturované rozpúšťadlami a počas RPC stratia funkčnosť. Preto sa táto metóda neodporúča pre všetky aplikácie, najmä ak je potrebné, aby si cieľový proteín zachoval aktivitu.

Iónomeničová chromatografia sa týka separácie proteínov na základe náboja. Stĺpce sa môžu pripraviť buď na výmenu aniónov alebo na výmenu katiónov. Aniónomeničové kolóny obsahujú stacionárnu fázu s kladným nábojom, ktorý priťahuje negatívne nabité proteíny.

Stĺpce na výmenu katiónov sú reverzné negatívne nabité guľôčky, ktoré priťahujú pozitívne nabité proteíny. Elúcia (extrakcia jedného materiálu z druhého) cieľového proteínu (proteínov) sa uskutoční zmenou pH v stĺpec, čo vedie k zmene alebo neutralizácii nabitých funkčných skupín každej z nich proteín.

Chromatografia vylučujúca podľa veľkosti (tiež známa ako gélová filtrácia) oddeľuje väčšie proteíny od menších tie, pretože väčšie molekuly cestujú rýchlejšie cez zosieťovaný polymér v chromatografii stĺpec. Veľké proteíny sa nezapadajú do pórov polyméru, zatiaľ čo menšie proteíny sa pohybujú cez chromatografickú kolónu kratšou cestou a trvá dlhšie.

Eluát (výsledok elúcie) sa zhromažďuje v sérii skúmaviek oddeľujúcich proteíny na základe elučného času. Gélová filtrácia je užitočným nástrojom na koncentrovanie vzorky proteínu, pretože cieľový proteín sa zhromažďuje v menšom elučnom objeme, ako sa pôvodne pridávalo do kolóny. Podobné filtračné techniky by sa mohli použiť pri výrobe bielkovín vo veľkom meradle z dôvodu ich nákladovej efektívnosti.

Afinitná chromatografia je veľmi užitočná technika na "leštenie" alebo dokončenie procesu proteínovej purifikácie. Guľôčky v chromatografickej kolóne sú zosieťované k ligandom, ktoré sa špecificky viažu na cieľový proteín.

Proteín sa potom odstráni z kolóny premytím roztokom obsahujúcim voľné ligandy. Táto metóda poskytuje najčistejšie výsledky a najvyššiu špecifickú aktivitu v porovnaní s inými technikami.

SDS-PAGE (dodecylsulfát sodný používaný pri elektroforéze na polyakrylamidovom géli) sa viaže na proteíny, čo im dáva veľký čistý záporný náboj. Pretože náboje všetkých proteínov sú pomerne rovnaké, táto metóda ich oddeľuje takmer výlučne na základe veľkosti.

SDS-PAGE sa často používa na testovanie čistoty proteínu po každom kroku v sérii. Pretože sa nežiaduce proteíny postupne odstraňujú zo zmesi, počet pruhov vizualizovaných na géli SDS-PAGE sa zníži, až kým nebude iba jeden pruh predstavujúci požadovaný proteín.

Imunoblotting je technika vizualizácie proteínov použitá v kombinácii s afinitnou chromatografiou. Protilátky pre špecifický proteín sa používajú ako ligandy na afinitnej chromatografickej kolóne.

Cieľový proteín sa zachytí na kolóne a potom sa odstráni premytím kolóny soľným roztokom alebo inými činidlami. Protilátky spojené s rádioaktívnymi alebo farbivovými značkami pomáhajú pri detekcii cieľového proteínu po jeho oddelení od zvyšku zmesi.