Olbaltumvielu attīrīšanas metodes biotehnoloģijā

Svarīga biotehnoloģisko pētījumu sastāvdaļa ir olbaltumvielu inženierijas paņēmienu izmantošana olbaltumvielu projektēšanai vai modificēšanai. Šīs olbaltumvielu attīrīšanas metodes optimizē olbaltumvielu īpašības specifiskiem rūpnieciskiem lietojumiem.

Šīs metodes prasa zinātniekiem izolēt un attīrīt interesējošās olbaltumvielas, lai varētu pētīt to uzbūvi un substrāta īpatnības. Nepieciešams arī pētījums par reakcijām ar citiem ligandiem (olbaltumvielām, kas piestiprinās pie receptoru olbaltumvielām) un īpašām enzīmu aktivitātēm.

Nepieciešamā olbaltumvielu tīrības pakāpe ir atkarīga no paredzētā olbaltumvielu gala lietojuma. Dažiem lietojumiem pietiek ar neapstrādātu ekstraktu. Citiem lietojumiem, piemēram, pārtikas produktos un farmaceitiskos izstrādājumos, ir nepieciešams augsts tīrības līmenis. Vairāki paņēmieni olbaltumvielu attīrīšana tiek izmantoti vajadzīgā tīrības līmeņa sasniegšanai.

Katrs olbaltumvielu attīrīšanas posms parasti rada zināmu produkta zudumu. Tāpēc ideāla olbaltumvielu attīrīšanas stratēģija ir tā, kurā visaugstākais attīrīšanas līmenis tiek sasniegts pēc iespējas īsākā laikā.

Izmantojamo darbību izvēle ir atkarīga no mērķa olbaltumvielu lieluma, lādiņa, šķīdības un citām īpašībām. Šīs metodes ir vispiemērotākās, lai attīrītu atsevišķu citosola olbaltumvielu.

Citosolu olbaltumvielu kompleksu attīrīšana ir sarežģītāka, un parasti tas prasa dažādu metožu pielietošanu.

Pirmais solis intracelulāro (šūnas iekšpusē) olbaltumvielu attīrīšanā ir neapstrādāta ekstrakta sagatavošana. Ekstraktā būs sarežģīts visu olbaltumvielu maisījums no šūnu citoplazmas, kā arī dažas papildu makromolekulas, kofaktori un barības vielas.

Šo neapstrādāto ekstraktu var izmantot dažiem lietojumiem biotehnoloģijā. Tomēr, ja problēma ir tīrība, jāievēro nākamie attīrīšanas soļi. Kopproteīna ekstraktus sagatavo, noņemot šūnu atliekas, kas rodas šūnu līzes rezultātā, ko panāk, izmantojot ķīmiskas vielas, fermenti, sonikācija vai franču prese.

Atkritumus noņem, centrifugējot, un supernatantu (šķidrums virs cietas atliekas) atgūst. Neapstrādāti ārpusšūnu (ārpus šūnas) olbaltumvielas var iegūt, vienkārši atdalot šūnas ar centrifugēšanu.

Noteikti biotehnoloģija Lietojot, ir pieprasījums pēc termostabiliem fermentiem - fermentiem, kas var izturēt augstu temperatūru, neveicot denaturēšanu, saglabājot augstu īpatnējo aktivitāti.

Organismus, kas ražo karstumizturīgus proteīnus, dažreiz sauc par ekstremofiliem. Vienkārša pieeja karstumizturīgu olbaltumvielu attīrīšanai ir citu proteīna maisījumā denaturēšana ar karsē, pēc tam atdzesē šķīdumu (tādējādi ļaujot termostabilajam fermentam pārveidoties vai atkārtoti izšķīst, ja nepieciešams). Denaturētos proteīnus pēc tam var noņemt, centrifugējot.

Mūsdienu biotehnoloģija protokoli bieži izmanto daudzo komerciāli pieejamo komplektu vai metožu priekšrocības, kas nodrošina gatavus risinājumus standarta procedūrām. Olbaltumvielu attīrīšanu bieži veic, izmantojot filtrus un sagatavotas gēla filtrēšanas kolonnas.

Izpildiet dialīzes komplekta norādījumus un pievienojiet pareizā šķīduma pareizo tilpumu un gaidiet noteiktā laika posmā, savācot eluentu (šķīdinātāju caur kolonnu) svaigā testā caurule.

Hromatogrāfijas metodes var izmantot, izmantojot kolonnas vai automatizētas HPLC iekārtas. Atdalīšanu ar HPLC var veikt ar apgrieztās fāzes, jonu apmaiņas vai lieluma izslēgšanas metodēm, un paraugus nosaka ar diožu bloku vai lāzera tehnoloģiju.

Agrāk parastais otrais posms olbaltumvielu attīrīšanai no neapstrādāta ekstrakta bija izgulsnēšana šķīdumā ar augstu osmozes stiprumu (t.i., sāls šķīdumi). Olbaltumvielu nogulsnēšanu parasti veic, izmantojot kā sāli amonija sulfātu. Neapstrādātas ekstrakta nukleīnskābes var noņemt, nogulsnējot agregātus, kas izveidoti ar streptomicīna sulfātu vai protamīna sulfātu.

Sāls nokrišņi parasti neizraisa ļoti attīrītu olbaltumvielu, bet var palīdzēt novērst dažus nevēlamus olbaltumvielas maisījumā un koncentrēt paraugu. Pēc tam šķīdumā esošos sāļus noņem ar dialīzi, izmantojot porainas celulozes caurulītes, filtrējot vai izmantojot gēla izslēgšanas hromatogrāfiju.

Dažādas olbaltumvielas izgulsnējas dažādās amonija sulfāta koncentrācijās. Kopumā olbaltumvielas ar lielāku molekulmasu nogulsnējas zemākā amonija sulfāta koncentrācijā.

Apgrieztā fāzes hromatogrāfija (RPC) atdala proteīnus, pamatojoties uz to relatīvo hidrofobitāti (nepolāro molekulu izslēgšana no ūdens). Šis paņēmiens ir ļoti selektīvs, taču tam ir nepieciešami organiski šķīdinātāji.

Dažus proteīnus neatgriezeniski denaturē šķīdinātāji, un RPC laikā tie zaudēs funkcionalitāti. Tāpēc šī metode nav ieteicama visiem lietojumiem, īpaši, ja mērķa proteīnam ir nepieciešams saglabāt aktivitāti.

Jonu apmaiņas hromatogrāfija attiecas uz olbaltumvielu atdalīšanu, pamatojoties uz lādiņu. Kolonnas var sagatavot anjonu apmaiņai vai katjonu apmaiņai. Anjonu apmaiņas kolonnās ir stacionāra fāze ar pozitīvu lādiņu, kas piesaista negatīvi lādētus proteīnus.

Katjonu apmaiņas kolonnas ir apgrieztas, negatīvi lādētas lodītes, kas piesaista pozitīvi lādētas olbaltumvielas. Mērķa olbaltumvielu (-u) eluēšanu (viena materiāla ekstrahēšanu no cita) veic, mainot pH kolonnu, kuras rezultātā tiek mainītas vai neitralizētas katras uzlādētās funkcionālās grupas olbaltumvielas.

Izmēru izslēgšanas hromatogrāfija (pazīstama arī kā gēla filtrēšana) lielākus proteīnus atdala no mazākiem tādas, jo lielākās molekulas hromatogrāfijā ātrāk šķērso šķērssaistītu polimēru sleja. Lielie proteīni neietilpst polimēra porās, turpretī mazākiem proteīniem ir mazāk laika, un tie pārvietojas pa hromatogrāfijas kolonnu pa mazāk tiešu ceļu.

Eluātu (eluācijas rezultāts) savāc mēģenīšu sērijā, atdalot olbaltumvielas, pamatojoties uz eluēšanas laiku. Želejas filtrēšana ir noderīgs rīks olbaltumvielu parauga koncentrēšanai, jo mērķa proteīns tiek savākts mazākā eluācijas tilpumā, nekā sākotnēji tika pievienots kolonnā. Līdzīgas filtrēšanas metodes var izmantot liela apjoma olbaltumvielu ražošanas laikā, ņemot vērā to rentabilitāti.

Afinitātes hromatogrāfija ir ļoti noderīga tehnika "pulēšanai" vai olbaltumvielu attīrīšanas procesa pabeigšanai. Pērlītes hromatogrāfijas kolonnā ir savstarpēji saistītas ar ligandiem, kas specifiski saistās ar mērķa proteīnu.

Pēc tam olbaltumvielu izņem no kolonnas, izskalojot ar šķīdumu, kas satur brīvas ligandus. Šī metode dod vistīrākos rezultātus un visaugstāko specifisko aktivitāti salīdzinājumā ar citām metodēm.

SDS-PAGE (nātrija dodecilsulfāts, ko izmanto ar poliakrilamīda gela elektroforēzi) saistās ar olbaltumvielām, dodot tām lielu negatīvo lādiņu. Tā kā visu olbaltumvielu lādiņi ir diezgan vienādi, šī metode tos gandrīz pilnībā atdala, pamatojoties uz lielumu.

SDS-PAGE bieži izmanto, lai pārbaudītu olbaltumvielu tīrību pēc katras sērijas darbības. Tā kā no maisījuma pakāpeniski tiek noņemti nevēlamie proteīni, SDS-PAGE gēlā redzamo joslu skaits tiek samazināts, līdz ir tikai viena josla, kas apzīmē vēlamo olbaltumvielu.

Imūnblotings ir olbaltumvielu vizualizācijas paņēmiens, ko izmanto kombinācijā ar afinitātes hromatogrāfiju. Konkrēta proteīna antivielas tiek izmantotas kā ligandi afinitātes hromatogrāfijas kolonnā.

Mērķa olbaltumvielas paliek uz kolonnas, pēc tam tās noņem, skalojot kolonnu ar sāls šķīdumu vai citiem līdzekļiem. Antivielas, kas saistītas ar radioaktīvajām vai krāsvielu etiķetēm, palīdz noteikt mērķa proteīnu, kad tas ir atdalīts no pārējā maisījuma.