Metode de purificare a proteinelor în biotehnologie

O componentă importantă a cercetării biotehnologiei este utilizarea tehnicilor de inginerie proteică pentru proiectarea sau modificarea proteinelor. Aceste tehnici de purificare a proteinelor optimizează proprietățile proteice pentru aplicații industriale specifice.

Aceste tehnici necesită oamenii de știință să izoleze și să purifice proteinele de interes, pentru a putea fi studiate conformitățile și specificul substratului lor. De asemenea, necesită studiu sunt reacțiile cu alți liganzi (o proteină care se atașează de o proteină receptor) și activități specifice de enzime.

Gradul de puritate a proteinei necesar depinde de utilizarea finală a proteinei. Pentru unele aplicații, un extract brut este suficient. Alte utilizări, cum ar fi în alimente și produse farmaceutice, este necesar un nivel ridicat de puritate. Mai multe tehnici pentru purificarea proteinelor sunt utilizate pentru a atinge un nivel de puritate necesar.

Fiecare etapă de purificare a proteinelor duce de obicei la un anumit grad de pierdere a produsului. Prin urmare, o strategie ideală de purificare a proteinelor este una în care cel mai înalt nivel de purificare este atins în cele mai puține etape.

Selectarea etapelor de utilizare depinde de mărimea, încărcarea, solubilitatea și alte proprietăți ale proteinei țintă. Următoarele tehnici sunt cele mai potrivite pentru purificarea unei proteine ​​citosolice unice.

Purificarea complexelor proteice citosolice este mai complicată și de obicei necesită aplicarea diferitelor metode.

Primul pas în purificarea proteinelor intracelulare (în interiorul celulelor) este prepararea unui extract brut. Extractul va conține un amestec complex de toate proteinele din citoplasma celulară și câteva macromolecule, cofactori și substanțe nutritive suplimentare.

Acest extract brut poate fi utilizat pentru unele aplicații în biotehnologie. Cu toate acestea, dacă puritatea este o problemă, trebuie urmate etapele ulterioare de purificare. Extractele de proteine ​​brute sunt preparate prin îndepărtarea resturilor celulare generate de liza celulară, care se obține folosind substanțe chimice, enzime, sonicarea sau o presă franceză.

Resturile sunt îndepărtate prin centrifugare, iar supernatantul (lichidul de deasupra unui reziduu solid) este recuperat. Preparatele brute ale proteinelor extracelulare (în afara celulei) pot fi obținute prin simpla îndepărtare a celulelor prin centrifugare.

Cu siguranta biotehnologie aplicații, există o cerere de enzime termostabile - enzime care pot tolera temperaturi ridicate fără a se denatura, menținând în același timp o activitate specifică ridicată.

Organismele care produc proteine ​​rezistente la căldură sunt uneori numite extremofile. O abordare ușoară a purificării unei proteine ​​rezistente la căldură este denaturarea celorlalte proteine ​​din amestec încălzirea, apoi răcirea soluției (permițând astfel reformarea sau redisolvarea enzimei termostabile, dacă necesar). Proteinele denaturate pot fi apoi îndepărtate prin centrifugare.

Modern BioTech protocoalele adesea profită de numeroasele truse sau metode disponibile comercial care oferă soluții gata pentru procedurile standard. Purificarea proteinelor este adesea efectuată folosind filtre și coloane de filtrare gel preparate.

Urmați instrucțiunile kitului de dializă și adăugați volumul potrivit al soluției potrivite și așteptați durata specificată în timp ce se colectează eluantul (solventul a trecut prin coloană) într-un test nou tub.

Metodele cromatografice pot fi aplicate folosind coloane de top sau echipamente HPLC automatizate. Separarea prin HPLC se poate face prin metode de fază inversă, schimb de ioni sau de excludere a mărimii și probe detectate prin matrice de diode sau tehnologie laser.

În trecut, o a doua etapă obișnuită pentru purificarea unei proteine ​​dintr-un extract brut a fost prin precipitare într-o soluție cu o rezistență osmotică ridicată (adică soluții de sare). Precipitarea proteinei se face de obicei folosind sulfat de amoniu ca sare. Acizii nucleici din extractul brut pot fi îndepărtați prin precipitarea agregatelor formate cu sulfat de streptomicină sau sulfat de protamină.

Precipitațiile de sare nu conduc de obicei la o proteină extrem de purificată, dar pot ajuta la eliminarea unor proteine ​​nedorite într-un amestec și prin concentrarea probei. Sărurile din soluție sunt apoi îndepărtate prin dializă prin tubulatura poroasă de celuloză, filtrare sau cromatografie de excludere a gelului.

Diferite proteine ​​vor precipita în diferite concentrații de sulfat de amoniu. În general, proteinele cu greutate moleculară mai mare se precipită în concentrații mai mici de sulfat de amoniu.

Cromatografia în fază inversă (RPC) separă proteinele pe baza hidrofobicităților lor relative (excluderea moleculelor nepolare din apă). Această tehnică este extrem de selectivă, dar necesită utilizarea de solvenți organici.

Unele proteine ​​sunt denaturate permanent de solvenți și își vor pierde funcționalitatea în timpul RPC. Prin urmare, această metodă nu este recomandată pentru toate aplicațiile, în special dacă este necesar ca proteina țintă să-și păstreze activitatea.

Cromatografia cu schimb de ioni se referă la separarea proteinelor pe baza sarcinii. Coloanele pot fi pregătite fie pentru schimbul de anioni, fie pentru schimbul de cationi. Coloanele schimbătoare de anioni conțin o fază staționară cu o încărcare pozitivă care atrage proteinele încărcate negativ.

Coloanele schimbătoare de cationi sunt mărgelele încărcate negativ, care atrag proteine ​​încărcate pozitiv. Eluarea (extragerea unui material din altul) a proteinei (proteinelor) țintă se face prin modificarea pH-ului în coloana, care are ca rezultat o schimbare sau neutralizare a grupurilor funcționale încărcate din fiecare proteină.

Cromatografia de excludere a mărimii (cunoscută și sub denumirea de filtrarea în gel) separă proteinele mai mari de cele mai mici cele din moment ce moleculele mai mari călătoresc mai rapid prin polimerul reticulat din cromatografie coloană. Proteinele mari nu se încadrează în porii polimerului, în timp ce proteinele mai mici o fac și durează mai mult pentru a călători prin coloana de cromatografie, printr-o cale mai puțin directă.

Eluatul (rezultatul eluției) este colectat într-o serie de tuburi care separă proteinele pe baza timpului de eluție. Filtrarea în gel este un instrument util pentru concentrarea unei probe de proteine, deoarece proteina țintă este colectată într-un volum de eluție mai mic decât a fost adăugat inițial la coloană. Tehnici similare de filtrare pot fi utilizate în timpul producției de proteine ​​la scară largă datorită rentabilității lor.

Cromatografia de afinitate este o tehnică foarte utilă pentru „lustruire” sau finalizarea procesului de purificare a proteinelor. Perlele din coloana de cromatografie sunt încrucișate cu liganzi care se leagă în mod specific la proteina țintă.

Proteina este apoi eliminată din coloană prin clătirea cu o soluție care conține liganzi liberi. Această metodă oferă cele mai pure rezultate și cea mai înaltă activitate specifică în comparație cu alte tehnici.

SDS-PAGE (sulfat de dodecil de sodiu utilizat cu electroforeza cu gel de poliacrilamidă) se leagă de proteine, oferindu-le o mare sarcină negativă netă. Deoarece sarcinile tuturor proteinelor sunt destul de egale, această metodă le separă aproape în totalitate în funcție de dimensiune.

SDS-PAGE este adesea folosit pentru a testa puritatea proteinelor după fiecare etapă dintr-o serie. Deoarece proteinele nedorite sunt îndepărtate treptat din amestec, numărul benzilor vizualizate pe gelul SDS-PAGE este redus, până când există o singură bandă care reprezintă proteina dorită.

Immunoblotting este o tehnică de vizualizare a proteinelor aplicată în combinație cu cromatografia de afinitate. Anticorpii pentru o proteină specifică sunt folosiți ca liganzi pe o coloană de cromatografie de afinitate.

Proteina țintă este păstrată pe coloană, apoi este eliminată prin clătirea coloanei cu o soluție de sare sau alți agenți. Anticorpii legați de etichetele radioactive sau de coloranți ajută la detectarea proteinei țintă odată ce este separată de restul amestecului.