Main menu

Pages

تكنولوجيا جديدة لتصنيع البروتين بسرعة فائقه



New technology enables fast protein synthesis  تكنولوجيا جديدة لتصنيع البروتين بسرعة فائقه

 

New technology enables fast protein synthesis



تاريخ: 28 مايو 2020

مصدر: معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

ملخص:

طور الكيميائيون طريقة لإنتاج العديد من سلاسل البروتين كيميائيًا حتى 164 حمضًا أمينيًا. يمكن أن تسرع التكنولوجيا القائمة على التدفق تطوير صناعة الدواء وتسمح للعلماء بأحداث متغيرات بروتينية جديدة تتضمن أحماض أمينية لا تتشكل بصورة طبيعيه في الخلايا.

 


 

العديد من البروتينات proteins  مفيدة كأدوية للعديد من الأمراض والأضطرابات مثل مرض السكري diabetes والسرطان cancer والتهاب المفاصل arthritis. إن تصنيع النسخ الاصطناعية من هذه البروتينات هو عملية تستغرق وقتًا طويلاً وتتطلب هندسة الميكروبات وراثيًا أو الخلايا الأخرى لإنتاج البروتين المطلوب.

 

ابتكر الكيميائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة لتقليل كمية الوقت المطلوبة لتكوين بروتينات اصطناعية بشكل كبير. يمكن لآلة تصنيع التدفق الآلي المنضدية أن تجمع مئات الأحماض الأمينية amino acids ، مواد بناء البروتينات ، في غضون ساعات. يعتقد الباحثون أن تقنيتهم ​​الجديدة يمكن أن تسرع في تصنيع العلاجات عند الطلب وتطوير عقاقير جديدة ، وتسمح للعلماء بتصميم البروتينات الاصطناعية من خلال دمج الأحماض الأمينية غير الموجودة في الخلايا.

 



يقول براد بنتلوت Brad Pentelute ، أستاذ الكيمياء المساعد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "يمكنك تصميم متغيرات جديدة لها وظيفة بيولوجية فائقة ، يتم تمكينها باستخدام أحماض أمينية غير طبيعية أو تعديلات متخصصة غير ممكنة عند استخدام أجهزة الطبيعة لصنع البروتينات". المؤلف الرئيسي للدراسة.

 

في ورقة بحثية ظهرت اليوم في مجلة Science ، أظهر الباحثون أن بإمكانهم إنتاج العديد من سلاسل البروتين كيميائيًا حتى 164 حمضًا أمينيًا ، بما في ذلك الإنزيمات وعوامل النمو. لحفنة من هذه البروتينات الاصطناعية ، أجروا تحليلاً مفصلاً يظهر أن وظيفتهم قابلة للمقارنة مع نظيراتهم التي تحدث بشكل طبيعي.

 

المؤلفون الرئيسيون لهذه الورقة هم نينا هارترامبف ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وهي الآن أستاذة مساعدة في جامعة زيوريخ ، وطالبة الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا آزين سايبي ، وزميلة تقنية سابقة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Mackenzie Poskus.

 


 

الإنتاج السريع

تصل غالبية البروتينات الموجودة في جسم الإنسان إلى 400 حمض أميني. يتطلب تجميع كميات كبيرة من هذه البروتينات توصيل جينات البروتينات المطلوبة إلى الخلايا التي تعمل كمصانع حية. تستخدم هذه العملية لبرمجة الخلايا البكتيرية أو الخميرة لإنتاج الأنسولين والأدوية الأخرى مثل هرمونات النمو.

 

يقول توماس نيلسن ، رئيس الكيمياء البحثية في نوفو نورديسك ، وهو أيضًا مؤلف الدراسة: "إنها عملية تستغرق وقتًا طويلاً". "تحتاج أولاً إلى الجين المتاح ، وتحتاج إلى معرفة شيء عن علم الأحياء الخلوي للكائن الحي حتى تتمكن من هندسة التعبير عن بروتينك."

 

نهج بديل لإنتاج البروتين ، تم اقتراحه لأول مرة في الستينيات من قبل بروس ميريفيلد ، الذي حصل لاحقًا على جائزة نوبل في الكيمياء لعمله على تخليق الببتيد في المرحلة الصلبة ، هو ربط الأحماض الأمينية كيميائيًا معًا بطريقة متدرجة. هناك 20 حمضًا أمينيًا تستخدمها الخلايا الحية لبناء البروتينات ، وباستخدام التقنيات التي ابتكرتها شركة Merrifield ، يستغرق الأمر حوالي ساعة لإجراء التفاعلات الكيميائية اللازمة لإضافة حمض أميني واحد إلى سلسلة الببتيد.

 

في السنوات الأخيرة ، ابتكر مختبر Pentelute طريقة أسرع لإجراء هذه التفاعلات ، استنادًا إلى تقنية تعرف باسم كيمياء التدفق. في آليتها ، يتم خلط المواد الكيميائية باستخدام مضخات وصمامات ميكانيكية ، وفي كل خطوة من التوليف الكلي ، يتم تدويرها من خلال مفاعل ساخن يحتوي على طبقة راتينج. في البروتوكول الأمثل ، يستغرق تكوين كل رابطة ببتيد في المتوسط ​​2.5 دقيقة ، ويمكن تجميع الببتيدات حتى 25 من الأحماض الأمينية الطويلة في أقل من ساعة.

 

بعد تطوير هذه التكنولوجيا ، أصبحت نوفو نورديسك ، التي تصنع العديد من الأدوية البروتينية ، مهتمة بالعمل مع مختبر Pentelute لتجميع الببتيدات والبروتينات. لتحقيق ذلك ، احتاج الباحثون إلى تحسين كفاءة التفاعلات التي تشكل روابط الببتيد بين الأحماض الأمينية في السلسلة. بالنسبة لكل تفاعل ، كان معدل كفاءتها السابقة بين 95 و 98 في المائة ، ولكن بالنسبة للبروتينات الأطول ، احتاجوا إلى أكثر من 99 في المائة.

 

يقول بينتلوت: "كان الأساس المنطقي هو أنه إذا نجحنا جيدًا في صنع الببتيدات ، فيمكننا توسيع التكنولوجيا لإنتاج البروتينات". "الفكرة هي أن يكون لديك آلة يستطيع المستخدم وضعها في تسلسل بروتين ، وسوف تجمع هذه الأحماض الأمينية معًا بطريقة فعالة بحيث يمكنك في نهاية المطاف الحصول على البروتين الذي تريده . لقد كان الأمر صعبًا للغاية لأنه إذا لم تكن الكيمياء قريبة من 100 بالمائة لكل خطوة واحدة ، فلن تحصل على أي من المواد المطلوبة ".

 

لتعزيز معدل نجاحهم والعثور على الوصفة المثلى لكل تفاعل ، أجرى الباحثون تفاعلات اقتران خاصة بالأحماض الأمينية في ظل العديد من الظروف المختلفة. في هذه الدراسة ، قاموا بتجميع بروتوكول عالمي حقق متوسط ​​كفاءة أكبر من 99 في المائة لكل تفاعل ، مما يحدث فرقًا كبيرًا عندما يتم ربط العديد من الأحماض الأمينية لتكوين بروتينات كبيرة ، كما يقول الباحثون.

 

يقول Hartrampf: "إذا كنت ترغب في صنع البروتينات ، فإن هذا 1 في المائة الإضافي يحدث فرقًا كبيرًا ، لأن المنتجات الثانوية تتراكم وتحتاج إلى معدل نجاح مرتفع لكل حمض أميني واحد مدمج".

باستخدام هذا النهج ، تمكن الباحثون من تصنيع بروتين يحتوي على 164 حمض أميني - Sortase A ، بروتين بكتيري. كما أنتجوا مادة proinsulin ، وهي مادة مقدمة للأنسولين تحتوي على 86 من الأحماض الأمينية ، وإنزيم يسمى الليزوزيم lysozyme ، الذي يحتوي على 129 من الأحماض الأمينية ، بالإضافة إلى بعض البروتينات الأخرى. يجب تنقية البروتين المطلوب ثم طيه في الشكل الصحيح ، مما يضيف بضع ساعات أخرى إلى عملية التوليف الشاملة. تم الحصول على جميع البروتينات المخلقة المنقاة بكميات بالمليغرام ، تشكل ما بين 1 و 5 في المائة من المحصول الكلي.

 

 


الكيمياء الطبية

اختبر الباحثون أيضًا الوظائف البيولوجية لخمسة بروتينات اصطناعية ووجدوا أنها قابلة للمقارنة مع تلك الموجودة في المتغيرات المعبر عنها بيولوجيًا.

 

يقول الباحثون إن القدرة على توليد أي تسلسل بروتين مرغوب فيه يجب أن يتيح تطوير الأدوية واختبارها بشكل أسرع. كما تسمح التكنولوجيا الجديدة بدمج الأحماض الأمينية بخلاف الـ 20 المشفرة بواسطة الحمض النووي للخلايا الحية في البروتينات ، مما يوسع بشكل كبير التنوع الهيكلي والوظيفي للعقاقير البروتينية المحتملة التي يمكن إنشاؤها.

 

يقول نيلسن: "هذا يمهد الطريق لمجال جديد من الكيمياء الطبية البروتينية". "هذه التكنولوجيا تكمل حقا ما هو متاح لصناعة الأدوية ، وتوفير فرص جديدة للاكتشاف السريع للأدوية الحيوية القائمة على الببتيد والبروتين."

 

يعمل الباحثون الآن على زيادة تحسين التكنولوجيا حتى تتمكن من تجميع سلاسل البروتين التي يصل طولها إلى 300 حمض أميني. كما أنهم يعملون على أتمتة عملية التصنيع بأكملها ، بحيث بمجرد أن يتم تصنيع البروتين ، تحدث خطوات الانقسام والتنقية والطي دون الحاجة إلى أي تدخل بشري.

 

 

 

 

 

المصادر

  • Materials provided by Massachusetts Institute of Technology. Original written by Anne Trafton. Note: Content may be edited for style and length.
  • N. Hartrampf, A. Saebi, M. Poskus, Z. P. Gates, A. J. Callahan, A. E. Cowfer, S. Hanna, S. Antilla, C. K. Schissel, A. J. Quartararo, X. Ye, A. J. Mijalis, M. D. Simon, A. Loas, S. Liu, C. Jessen, T. E. Nielsen, B. L. Pentelute. Synthesis of proteins by automated flow chemistryScience, 2020; 368 (6494): 980 DOI: 10.1126/science.abb2491

 




Comments

contents title