Metoder til proteinrensning i bioteknologi

En vigtig komponent i bioteknologisk forskning er brugen af ​​proteintekniksteknikker til at designe eller modificere proteiner. Disse proteinoprensningsteknikker optimerer proteinegenskaber til specifikke industrielle anvendelser.

Disse teknikker kræver forskere at isolere og rense proteiner af interesse, så deres konformationer og substratspecificiteter kan studeres. Reaktioner med andre ligander (et protein, der er knyttet til et receptorprotein) og specifikke enzymaktiviteter, kræver også undersøgelse.

Graden af ​​proteinrenhed, der kræves, afhænger af den tilsigtede slutanvendelse af proteinet. For nogle anvendelser er en råekstrakt tilstrækkelig. Andre anvendelser, såsom i fødevarer og farmaceutiske produkter, kræver et højt renhedsniveau. Flere teknikker til proteinoprensning bruges til at nå et krævet renhedsniveau.

Hvert proteinoprensningstrin resulterer normalt i en vis grad af produkttab. Derfor er en ideel proteinrensningsstrategi en strategi, hvor det højeste niveau af oprensning nås i de færreste trin.

Valget af hvilke trin, der skal bruges, afhænger af målproteinets størrelse, opladning, opløselighed og andre egenskaber. De følgende teknikker er mest passende til oprensning af et enkelt cytosolisk protein.

Oprensning af cytosoliske proteinkomplekser er mere kompliceret og kræver normalt, at forskellige metoder anvendes.

Det første trin i oprensning af intracellulære proteiner (inde i cellen) er fremstillingen af ​​en rå ekstrakt. Ekstrakten vil indeholde en kompleks blanding af alle proteiner fra cellecytoplasma og nogle yderligere makromolekyler, cofaktorer og næringsstoffer.

Denne råekstrakt kan anvendes til nogle anvendelser inden for bioteknologi. Men hvis renhed er et problem, skal efterfølgende rensningstrin følges. Råproteinekstrakter fremstilles ved fjernelse af cellulært affald genereret ved cellelysering, hvilket opnås ved anvendelse af kemikalier, enzymer, lydbehandling eller en fransk presse.

Affaldet fjernes ved centrifugering, og supernatanten (væsken over en fast remanens) udvindes. Råpræparater af ekstracellulære proteiner (uden for cellen) kan opnås ved blot at fjerne cellerne ved centrifugering.

Helt sikkert bioteknologi Anvendelser er der et behov for termostabile enzymer - enzymer, der kan tolerere høje temperaturer uden denaturering, samtidig med at den opretholder høj specifik aktivitet.

Organismer, der producerer varmebestandige proteiner kaldes undertiden ekstremofile. En let fremgangsmåde til oprensning af et varmebestandigt protein er at denaturere de andre proteiner i blandingen ved opvarmning og derefter afkøling af opløsningen (således at det termostabile enzym kan reformeres eller genopløses, hvis nødvendig). De denaturerede proteiner kan derefter fjernes ved centrifugering.

Moderne biotek protokoller drager ofte fordel af de mange kommercielt tilgængelige sæt eller metoder, der leverer færdige løsninger til standardprocedurer. Proteinoprensning udføres ofte under anvendelse af filtre og forberedte gelfiltreringssøjler.

Følg dialysesættets instruktioner, og tilføj det rigtige volumen til den rigtige opløsning, og vent på specificeret tidsperiode under opsamling af eluanten (opløsningsmidlet passeret gennem søjlen) i en frisk test rør.

Kromatografiske metoder kan anvendes ved hjælp af bænk-topsøjler eller automatiseret HPLC-udstyr. Adskillelse ved HPLC kan udføres ved omvendt fase, ionbytnings- eller størrelsesekskluderingsmetoder, og prøver detekteres ved hjælp af diodearray eller laserteknologi.

Tidligere var et almindeligt andet trin til oprensning af et protein fra en rå ekstrakt ved præcipitation i en opløsning med høj osmotisk styrke (dvs. saltopløsninger). Proteinudfældning udføres normalt under anvendelse af ammoniumsulfat som saltet. Nukleinsyrer i den rå ekstrakt kan fjernes ved at udfælde aggregater dannet med streptomycinsulfat eller protaminsulfat.

Saltudfældning fører normalt ikke til et stærkt oprenset protein, men kan hjælpe med at eliminere nogle uønskede proteiner i en blanding og ved at koncentrere prøven. Salte i opløsningen fjernes derefter ved dialyse gennem porøs celluloserør, filtrering eller gelekskluderingskromatografi.

Forskellige proteiner udfældes i forskellige koncentrationer af ammoniumsulfat. Generelt udfældes proteiner med højere molekylvægt i lavere koncentrationer af ammoniumsulfat.

Reverse-fase kromatografi (RPC) adskiller proteiner baseret på deres relative hydrofobicitet (udelukkelse af ikke-polære molekyler fra vand). Denne teknik er yderst selektiv, men kræver anvendelse af organiske opløsningsmidler.

Nogle proteiner denatureres permanent af opløsningsmidler og mister funktionaliteten under RPC. Derfor anbefales denne metode ikke til alle applikationer, især hvis det er nødvendigt, at målproteinet bevarer aktivitet.

Ionbytningskromatografi henviser til separationen af ​​proteiner baseret på ladning. Søjler kan enten forberedes til anionudveksling eller kationudveksling. Anionbytterkolonner indeholder en stationær fase med en positiv ladning, der tiltrækker negativt ladede proteiner.

Kationbytterkolonner er de omvendte, negativt ladede perler, der tiltrækker positivt ladede proteiner. Eluering (ekstraktion af et materiale fra et andet) af målproteinet (erne) udføres ved at ændre pH i kolonnen, som resulterer i en ændring eller neutralisering af de ladede funktionelle grupper af hver protein.

Størrelseseksklusionschromatografi (også kendt som gelfiltrering) adskiller større proteiner fra mindre dem, da de større molekyler rejser hurtigere gennem den tværbundne polymer i kromatografien kolonne. De store proteiner passer ikke ind i porerne på polymeren, mens mindre proteiner gør det og det tager længere tid at rejse gennem kromatografisøjlen via en mindre direkte rute.

Eluat (resultatet af eluering) opsamles i en serie rør, der adskiller proteiner baseret på elueringstid. Gelfiltrering er et nyttigt værktøj til koncentrering af en proteinprøve, da målproteinet opsamles i et mindre elueringsvolumen, end det oprindeligt blev tilsat til søjlen. Lignende filtreringsteknikker kan anvendes under storskala proteinproduktion på grund af deres omkostningseffektivitet.

Affinitetskromatografi er en meget nyttig teknik til "polering" eller færdiggørelse af proteinrensningsprocessen. Perler i kromatografisøjlen er tværbundet til ligander, der binder specifikt til målproteinet.

Proteinet fjernes derefter fra søjlen ved skylning med en opløsning indeholdende frie ligander. Denne metode giver de reneste resultater og den højeste specifikke aktivitet sammenlignet med andre teknikker.

SDS-PAGE (natriumdodecylsulfat anvendt med polyacrylamidgelelektroforese) binder til proteiner, hvilket giver dem en stor negativ negativ ladning. Da ladningerne for alle proteiner er ret lige, adskiller denne metode dem næsten udelukkende baseret på størrelse.

SDS-PAGE bruges ofte til at teste proteinets renhed efter hvert trin i en serie. Når uønskede proteiner gradvist fjernes fra blandingen, reduceres antallet af bånd, der visualiseres på SDS-PAGE-gelen, indtil der kun er et bånd, der repræsenterer det ønskede protein.

Immunoblotting er en proteinvisualiseringsteknik anvendt i kombination med affinitetskromatografi. Antistoffer til et specifikt protein anvendes som ligander i en affinitetskromatografisøjle.

Målproteinet tilbageholdes på søjlen, fjernes derefter ved skylning af søjlen med en saltopløsning eller andre midler. Antistoffer, der er knyttet til radioaktive eller farvestofmærker, hjælper med at detektere målproteinet, når det er adskilt fra resten af ​​blandingen.