Методи за пречистване на протеини в биотехнологиите

Важен компонент на биотехнологичните изследвания е използването на техники за протеиново инженерство за проектиране или модифициране на протеини. Тези техники за пречистване на протеини оптимизират белтъчните свойства за специфични индустриални приложения.

Тези техники изискват учените да изолират и пречистят белтъците, които представляват интерес, за да могат да се изследват техните конформации и субстратни специфики. Също така се изискват проучвания са реакциите с други лиганди (протеин, който се свързва с рецепторен протеин) и специфични ензимни активности.

Необходимата степен на чистота на протеина зависи от планираната крайна употреба на протеина. За някои приложения е достатъчен суров екстракт. При други употреби, като например в храни и фармацевтични продукти, се изисква високо ниво на чистота. Няколко техники за пречистване на протеини се използват за достигане на необходимо ниво на чистота.

Всеки етап на пречистване на протеин обикновено води до някаква степен на загуба на продукт. Следователно идеалната стратегия за пречистване на протеини е тази, при която се постига най-високо ниво на пречистване в най-малкото стъпки.

Изборът на кои стъпки да се използва зависи от размера, заряда, разтворимостта и други свойства на целевия протеин. Следните техники са най-подходящи за пречистване на един цитозолен протеин.

Пречистването на цитозолни протеинови комплекси е по-сложно и обикновено изисква прилагането на различни методи.

Първата стъпка в пречистването на вътреклетъчните (вътре в клетката) протеини е получаването на суров екстракт. Екстрактът ще съдържа сложна смес от всички протеини от клетъчната цитоплазма и някои допълнителни макромолекули, кофактори и хранителни вещества.

Този суров екстракт може да се използва за някои приложения в биотехнологиите. Ако обаче чистотата е проблем, трябва да се следват последващи стъпки за пречистване. Суровите протеинови екстракти се приготвят чрез отстраняване на клетъчни остатъци, генерирани от клетъчен лизис, което се постига с помощта на химикали, т.е. ензими, озвучаване или Франс прес.

Отломките се отстраняват чрез центрофугиране и супернатантата (течността над твърд остатък) се възстановява. Суровите препарати от извънклетъчните (извън клетката) протеини могат да бъдат получени чрез просто отстраняване на клетките чрез центрофугиране.

Със сигурност биотехнологиите приложения, има търсене на термостабилни ензими - ензими, които могат да понасят високи температури без денатуриране, като същевременно поддържат висока специфична активност.

Организмите, които произвеждат устойчиви на топлина протеини, понякога се наричат ​​екстремофили. Лесен подход за пречистване на устойчив на топлина протеин е денатурирането на останалите протеини в сместа чрез загряване, след това охлаждане на разтвора (като по този начин позволява на термостабилния ензим да се реформира или преразтваря, ако необходимо). След това денатурираните протеини могат да бъдат отстранени чрез центрофугиране.

модерен биотехнологиите протоколите често се възползват от множеството налични в търговската мрежа комплекти или методи, които предоставят готови решения за стандартни процедури. Пречистването на протеин често се извършва с помощта на филтри и подготвени колони за гел-филтрация.

Следвайте инструкциите на диализния комплект и добавете правилния обем на правилния разтвор и изчакайте определен период от време, докато се събира елуанта (разтворителят преминава през колоната) в нов тест тръба.

Хроматографските методи могат да се прилагат с помощта на колони отгоре или автоматизирано HPLC оборудване. Разделянето чрез HPLC може да се извърши чрез методи на обратна фаза, йонообмен или изключване на размера и проби, открити чрез диодна решетка или лазерна технология.

В миналото общ втори етап за пречистване на протеин от суров екстракт беше чрез утаяване в разтвор с висока осмотична сила (т.е. солни разтвори). Протеиновото утаяване обикновено се извършва като се използва амониев сулфат. Нуклеиновите киселини в суровия екстракт могат да бъдат отстранени чрез утаяване на агрегати, образувани със стрептомицин сулфат или протамин сулфат.

Утаяването на сол обикновено не води до силно пречистен протеин, но може да помогне за елиминиране на някои нежелани протеини в смес и чрез концентриране на пробата. Солите в разтвора след това се отстраняват чрез диализа чрез пореста целулозна тръба, филтриране или хроматография за изключване на гел.

Различните протеини ще се утаяват в различни концентрации на амониев сулфат. По принцип протеините с по-високо молекулно тегло се утаяват в по-ниски концентрации на амониев сулфат.

Обратно-фазовата хроматография (RPC) разделя протеините въз основа на техните относителни хидрофобности (изключване на неполярните молекули от водата). Тази техника е силно селективна, но изисква използването на органични разтворители.

Някои протеини са трайно денатурирани от разтворители и ще загубят функционалност по време на RPC. Следователно този метод не се препоръчва за всички приложения, особено ако е необходимо целевият протеин да запази активността си.

Йоннообменната хроматография се отнася до разделянето на протеини на базата на заряд. Колоните могат да бъдат подготвени за анионен обмен или катионен обмен. Колоните за обмен на аниони съдържат неподвижна фаза с положителен заряд, която привлича отрицателно заредени протеини.

Катионообменните колони са обратните, отрицателно заредени зърна, които привличат положително заредени протеини. Елуирането (извличане на един материал от друг) на целевия протеин (и) се извършва чрез промяна на рН в колоната, което води до промяна или неутрализиране на заредените функционални групи от всяка протеин.

Хроматографията за изключване на размера (известна още като гел филтрация) отделя по-големите протеини от по-малките такива, тъй като по-големите молекули пътуват по-бързо през омрежен полимер в хроматографията колона. Големите протеини не се вписват в порите на полимера, докато по-малките протеини и отнемат повече време за пътуване през колоната за хроматография по не толкова директен път.

Елуатът (резултатът от елуирането) се събира в серия епруветки, отделящи протеини на базата на времето за елуиране. Гел филтрацията е полезен инструмент за концентриране на протеинова проба, тъй като целевият протеин се събира в по-малък обем на елуиране, отколкото първоначално е добавен в колоната. Подобни техники на филтрация могат да се използват по време на широкомащабно производство на протеини поради тяхната икономическа ефективност.

Хроматографията на афинитета е много полезна техника за „полиране“ или завършване на процеса на пречистване на протеина. Зърната в колоната за хроматография са омрежени с лиганди, които се свързват специфично с целевия протеин.

След това протеинът се отстранява от колоната чрез изплакване с разтвор, съдържащ свободни лиганди. Този метод дава най-чистите резултати и най-високата специфична активност в сравнение с други техники.

SDS-PAGE (натриев додецил сулфат, използван с полиакриламиден гел електрофореза) се свързва с протеини, като им дава голям нетен отрицателен заряд. Тъй като зарядите на всички протеини са сравнително равни, този метод ги разделя почти изцяло въз основа на размера.

SDS-PAGE често се използва за тестване на чистотата на протеина след всеки етап от серията. Тъй като нежеланите протеини постепенно се отстраняват от сместа, броят на лентите, визуализирани върху SDS-PAGE гела, се намалява, докато има само една лента, представляваща желания протеин.

Имуноблотингът е техника за визуализация на протеин, прилагана в комбинация с афинитетна хроматография. Антителата за специфичен протеин се използват като лиганди на афинитетна хроматографска колона.

Целевият протеин се задържа на колоната, след това се отстранява чрез изплакване на колоната със солен разтвор или други агенти. Антителата, свързани с радиоактивни или багрилни етикети, помагат при откриването на целевия протеин, след като той бъде отделен от останалата смес.