Metoder för proteinrening i bioteknik

En viktig komponent i bioteknikforskningen är användningen av proteinteknik för att designa eller modifiera proteiner. Dessa proteingreningsmetoder optimerar proteinegenskaper för specifika industriella tillämpningar.

Dessa tekniker kräver forskare att isolera och rena proteiner av intresse så att deras konformationer och substratspecificitet kan studeras. Dessutom kräver studie reaktioner med andra ligander (ett protein som fäster vid ett receptorprotein) och specifika enzymaktiviteter.

Graden av proteinrenhet som krävs beror på den avsedda slutanvändningen av proteinet. För vissa applikationer är ett rått extrakt tillräckligt. Andra användningsområden, såsom livsmedel och läkemedel, kräver en hög renhetsnivå. Flera tekniker för proteinrening används för att nå en nödvändig renhetsnivå.

Varje proteinreningssteg resulterar vanligtvis i en viss grad av produktförlust. Därför är en idealisk proteinreningsstrategi en där den högsta reningsnivån uppnås i de allra minsta stegen.

Valet av vilka steg som ska användas beror på storleken, laddningen, lösligheten och andra egenskaper hos målproteinet. Följande tekniker är mest lämpliga för rening av ett enda cytosoliskt protein.

Rening av cytosoliska proteinkomplex är mer komplicerad och kräver vanligtvis att olika metoder tillämpas.

Det första steget i att rena intracellulära proteiner (inuti cellen) är framställningen av ett rå extrakt. Extraktet kommer att innehålla en komplex blandning av alla proteiner från cellcytoplasma och några ytterligare makromolekyler, kofaktorer och näringsämnen.

Detta råa extrakt kan användas för vissa tillämpningar inom bioteknik. Om renhet är ett problem måste emellertid följande reningsteg följas. Råproteinextrakt framställs genom avlägsnande av cellulärt skräp genererat genom celllys, vilket uppnås med användning av kemikalier, enzymer, sonication eller en fransk press.

Skräpet avlägsnas genom centrifugering och supernatanten (vätskan över en fast återstod) utvinns. Råberedningar av extracellulära (utanför cellen) proteiner kan erhållas genom att helt enkelt avlägsna cellerna genom centrifugering.

Säkert bioteknik tillämpningar, det finns ett behov av termostabila enzymer - enzymer som tål höga temperaturer utan denaturering, samtidigt som hög specifik aktivitet upprätthålls.

Organismer som producerar värmebeständiga proteiner kallas ibland extremofiler. En enkel metod för att rena ett värmebeständigt protein är att denaturera de andra proteinerna i blandningen med upphettning, kyl sedan lösningen (så att det termostabla enzymet kan reformeras eller återupplösta, om nödvändig). De denaturerade proteinerna kan sedan avlägsnas genom centrifugering.

Modern biotech protokoll drar ofta fördel av de många kommersiellt tillgängliga kit eller metoder som tillhandahåller färdiga lösningar för standardförfaranden. Proteinrening utförs ofta med hjälp av filter och framställda gelfiltreringskolonner.

Följ dialyspaketets instruktioner och lägg till rätt volym av rätt lösning och vänta på specificerad tid under uppsamling av elueringsmedlet (lösningsmedlet passerat genom kolonnen) i ett nytt test rör.

Kromatografiska metoder kan tillämpas med hjälp av bänk-kolumner eller automatiserad HPLC-utrustning. Separation med HPLC kan göras med omvänd fas, jonbytarmetod eller storleksuteslutningsmetoder, och prover detekteras med diodarray eller laserteknologi.

Tidigare var ett vanligt andra steg för att rena ett protein från ett rått extrakt genom utfällning i en lösning med hög osmotisk hållfasthet (dvs saltlösningar). Proteinutfällning görs vanligtvis med användning av ammoniumsulfat som salt. Nukleinsyror i det råa extraktet kan avlägsnas genom utfällning av aggregat bildade med streptomycinsulfat eller protaminsulfat.

Saltutfällning leder vanligtvis inte till ett mycket renat protein men kan hjälpa till att eliminera en del oönskade proteiner i en blandning och genom att koncentrera provet. Salter i lösningen avlägsnas sedan genom dialys genom porös cellulosarör, filtrering eller gelekskluderingskromatografi.

Olika proteiner kommer att fälla ut i olika koncentrationer av ammoniumsulfat. I allmänhet fälls proteiner med högre molekylvikt i lägre koncentrationer av ammoniumsulfat.

Omvänd fas-kromatografi (RPC) separerar proteiner baserat på deras relativa hydrofobicitet (uteslutning av icke-polära molekyler från vatten). Denna teknik är mycket selektiv men kräver användning av organiska lösningsmedel.

Vissa proteiner denatureras permanent av lösningsmedel och kommer att förlora funktionaliteten under RPC. Därför rekommenderas inte denna metod för alla applikationer, särskilt om det är nödvändigt för målproteinet att behålla aktiviteten.

Ionbyteskromatografi avser separering av proteiner baserat på laddning. Kolumner kan antingen förberedas för anjonbyte eller katjonbyte. Anjonbytarkolumner innehåller en stationär fas med en positiv laddning som lockar negativt laddade proteiner.

Katjonbytarkolumner är de omvända, negativt laddade pärlorna som lockar positivt laddade proteiner. Eluering (extraktion av ett material från ett annat) av målproteinet (erna) görs genom att pH ändras kolumnen, vilket resulterar i en förändring eller neutralisering av de laddade funktionella grupperna för varje protein.

Kromatografi med uteslutning av storlek (även känd som gelfiltrering) separerar större proteiner från mindre sådana eftersom de större molekylerna reser snabbare genom den tvärbundna polymeren i kromatografin kolumn. De stora proteinerna passar inte in i porerna i polymeren medan mindre proteiner gör och tar längre tid att färdas genom kromatografikolonnen via en mindre direkt väg.

Eluat (resultatet av eluering) uppsamlas i en serie rör som separerar proteiner baserat på elueringstid. Gelfiltrering är ett användbart verktyg för koncentrering av ett proteinprov eftersom målproteinet uppsamlas i en mindre elueringsvolym än som initialt sattes till kolonnen. Liknande filtreringstekniker kan användas under storskalig proteinproduktion på grund av deras kostnadseffektivitet.

Affinitetskromatografi är en mycket användbar teknik för "polering" eller slutförande av proteinreningsprocessen. Pärlor i kromatografikolonnen är tvärbundna till ligander som binder specifikt till målproteinet.

Proteinet avlägsnas sedan från kolonnen genom sköljning med en lösning som innehåller fria ligander. Denna metod ger de renaste resultaten och den högsta specifika aktiviteten jämfört med andra tekniker.

SDS-PAGE (natriumdodecylsulfat som används med polyakrylamidgelelektrofores) binder till proteiner vilket ger dem en stor negativ negativ laddning. Eftersom laddningarna för alla proteiner är ganska lika separerar denna metod dem nästan helt baserat på storlek.

SDS-PAGE används ofta för att testa renheten av protein efter varje steg i en serie. När oönskade proteiner gradvis avlägsnas från blandningen reduceras antalet band som visualiseras på SDS-PAGE-gelén tills det endast finns ett band som representerar det önskade proteinet.

Immunoblotting är en proteinvisualiseringsteknik som används i kombination med affinitetskromatografi. Antikroppar för ett specifikt protein används som ligander i en affinitetskromatografikolonn.

Målproteinet kvarhålls på kolonnen och avlägsnas sedan genom att skölja kolonnen med en saltlösning eller andra medel. Antikroppar kopplade till radioaktiva eller färgämnesetiketter hjälper till att detektera målproteinet när det separeras från resten av blandningen.