Bài giảng Công nghệ protein

Công nghệ protein là một hướng nghiên cứu quan trọng của công nghệ sinh học, có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Trên cơ sở công nghệ DNA tái tổ hợp hiện nay nhiều loại protein nguyên thể (protein thế hệ thứ nhất), protein đã được sửa đổi hoặc mới (protein thế hệ thứ hai) đang được sản xuất nhờ các sinh vật prokaryote như vi khuẩn E. coli hoặc eukaryote như nấm men Sac. cerevisiae
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Công nghệ proteinChương 6 Công nghệ proteinI. Mở đầu Công nghệ protein là một hướng nghiên cứu quan trọng của công nghệsinh học, có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Trên cơ sở công nghệ DNA tái tổhợp hiện nay nhiều loại protein nguyên thể (protein thế hệ thứ nhất), protei nđã được sửa đổi hoặc mới (protein thế hệ thứ hai) đang được sản xuất nhờcác sinh vật prokaryote như vi khuẩn E. coli hoặc eukaryote như nấm menSac. cerevisiae. Do tốc độ sinh sản nhanh nên vi sinh vật có thể sản xuất cácprotein với số lượng lớn trong một thời gian ngắn, sản phẩm được tinh sạchkhông có nguy cơ nhiễm bẩn virus như các trường hợp được tách chiết từngười. Đối với một số protein có cấu trúc phức tạp không thể biểu hiện ở vikhuẩn hoặc biểu hiện với hiệu suất thấp ở nấm men, người ta đang có xuhướng chuyển gen mã hóa của nó vào thực vật. Lý do là vì hệ thống thực vậtcó nhiều ưu điểm như có thể trồng trên quy mô lớn nhờ năng lượng mặt trờinên ít tốn kém hơn, các virus thực vật không phải là tác nhân gây bệnh chongười, các gen biểu hiện ở mô tạo dầu thực vật nên rất dễ tách chiết và thunhận protein. Công nghệ protein là quá trình xây dựng các phân tử protein mới,bằng cách thiết kế một phân tử protein dựa trên các nguyên lý cơ bản nhất,hoặc sửa đổi cấu trúc của một protein đang có, nhằm mục đích: - Nghiên cứu quá trình lắp ráp của các protein và các nhân tố củachuỗi sơ cấp tham gia vào sự cuộn xoắn, ổn định và thể hiện chức năng củachúng. Các đặc điểm này có thể được khảo sát bằng cách sửa đổi một hoặcnhiều amino acid đặc trưng theo một kiểu đã được định hướng trong proteinvà quan sát kết quả sau khi sản xuất phiên bản đã được sửa đổi. Thôngthường các protein có trình tự tương tự không giống nhau hoàn toàn, tồn tạitrong tự nhiên sẽ có các tính chất hơi khác nhau và người ta có thể dựa vàocác trình tự khác nhau này để tiến hành những sửa đổi sau đó. - Sản xuất các phân tử protein ổn định cho một mục đích công nghệđặc biệt, tuy nhiên các phiên bản được tìm thấy trong tự nhiên không có cáctính chất tối ưu cần thiết. Ví dụ: một enzyme có thể được xem như một phầnNhập môn Công nghệ sinh học 182của một quá trình công nghiệp nhưng một điểm đặc trưng của enzyme,chẳng hạn độ ổn định nhiệt hoặc là độ pH tối ưu cho hoạt tính xúc tác…không thể tương thích với quá trình đó. Các thay đổi amino acid có thể biếnđổi enzyme này sao cho nó thực hiện chức năng tốt hơn trong môi trườngmới. Có nhiều minh họa khác nhau về protein được sửa đổi để giúp chochúng phù hợp tốt hơn với các hoạt động công nghệ và thương mại, và mộtsố trong đó được trình bày ở mục IV-Một số ứng dụng của công nghệprotein. Muốn công nghệ hóa một protein cần phải hiểu biết về các nguyên lýcấu trúc của protein đó và đặc điểm của nguyên liệu để thiết kế hợp lý, hoặcsửa đổi các tính chất mong muốn. Hơn nữa, công nghệ này phải có được cáccông cụ sản xuất và phân tích protein mong muốn. Các công cụ và nguyênlý cơ bản hiện nay đang được phát triển song song. Các phần dưới đây cung cấp những kiến thức cơ bản của công nghệprotein và tóm tắt một vài phát triển của lĩnh vực này trong thời gian gầnđây.II. Cấu trúc protein Các nghiên cứu về cấu trúc của protein đã cho thấy có thể phân biệtcấu trúc của phân tử protein thành bốn bậc như sau: Cấu trúc bậc một (cấutrúc sơ cấp) là trình tự sắp xếp các amino acid trong chuỗi polypeptide. Cấutrúc này được giữ vững nhờ các liên kết peptide (liên kết cộng hóa trị). Cấutrúc bậc hai (cấu trúc thứ cấp) là tương tác không gian giữa các gốc aminoacid ở gần nhau trong chuỗi polypeptide, hay nói cách khác đó là dạng cuộnxoắn cục bộ (local fold) của từng phần trong chuỗi polypeptide. Cấu trúcnày được giữ vững nhờ liên kết hydrogen được tạo thành giữa các liên kếtpeptide ở gần kề nhau, cách nhau những khoảng xác định. Cấu trúc bậc ba làtương tác không gian giữa các gốc amino acid ở xa nhau trong chuỗipolypeptide, là dạng cuộn xoắn trong không gian của toàn chuỗi polypeptide(overall fold), đây là hình dạng chung của chuỗi polypeptide. Các liên kếtnhư liên kết Van der Waals, liên kết tĩnh điện, liên kết hydrogen giữa cácmạch bên của các gốc amino acid đều tham gia giữ vững cấu trúc bậc ba.Cấu trúc bậc bốn xuất hiện ở những phân tử protein bao gồm hai hay nhiềuchuỗi polypeptide hình cầu (bậc ba), tương tác không gian (sự sắp xếp) giữacác chuỗi này trong phân tử gọi là cấu trúc bậc bốn. Mỗi chuỗi polypeptideNhập môn Công nghệ sinh học 183này được gọi là một tiểu đơn vị (subunit). Chúng gắn với nhau nhờ các liênkết hydrogen, lực Van der Waals giữa các nhóm phân bố trên bề mặt củacác tiểu đơn vị (Hình 6.1). Tuy nhiên, đến nay nhiều vấn đề cơ bản về các tính chất của proteinvẫn chưa được giải quyết, ví dụ cơ chế cuộn xoắn protein vẫn còn là chủ đềcủa một số cuộc tranh luận. Phần tiếp theo dưới ...