Proteínové inžinierstvo

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Počítačový softvér skúša rôzne možnosti umiestnenia zložiek v myoglobíne – cca 120 umiestnení [1]

Proteínové inžinierstvo (tiež „bielkovinové inžinierstvo“, „inžinierstvo bielkovín“ a podobne) je proces vývoja užitočných alebo cenných proteínov. Ide o mladú disciplínu, ktorá už aj spravila, ale aj potrebuje ešte veľa výskumu ohľadom skladania bielkovín a základných princípov ich stavby. Tento biologický obor má cca niekoľko miliárd dolárov cenu na trhu.

Existujú dve hlavné stratégie pri priemyselnej syntéze bielkovín: inteligentné plánovanie stavby proteínu a smerovaná (riadená) evolúcia. Tieto metódy sa navzájom nevylučujú, často sa používajú súčasne. V budúcnosti môže lepšia znalosť štruktúry bielkovín a ich funkcie a tiež pokrok v zobrazovacích aj manipulatívnych metódach veľmi rozšíriť použitie tohto oboru. Tiež môžu byť vytvárané úplne umelé bielkoviny cez rozšírený genetický kód.[2]

Postupy[upraviť | upraviť zdroj]

Upravením aminokyselín – zámena, vybratie, ubratie v lineárnej štruktúre bielkoviny-sa zmení aj jej výsledná štruktúra a funkcia – treba „len“ prísť na to, čo zmeniť – pri racionálnom dizajne sa to robí dizajnérsky a pomocou softvéru

Racionálny dizajn[upraviť | upraviť zdroj]

Pri tejto metóde vedci využívajú svoje znalosti štruktúry a funkcií bielkoviny, aby jej úpravou vytvorili iné požadované vlastnosti. Veľmi pozitívna vec je rýchlosť a priamočiarosť tohto prístupu, lebo miestne mutácie už veľa rokov sú známe a máme preto vyvinuté techniky. Negatívum je, že často nepoznáme presnú stavbu bielkoviny alebo nevieme predpovedať správanie bielkoviny po našej zmene. Počítače môžu pomôcť pri tomto probléme, ale treba často prehľadávať veľmi veľa rôznych možností a preto býva postup veľmi pomalý a často nerealistický.[3]

Smerovaná evolúcia[upraviť | upraviť zdroj]

Obrázok znázorňuje porovnanie smerovanej evolúcie s výstupom na maximálnu vyvýšeninu – začína sa z rôznych strán (1) a po viacerých cykloch, pričom sa vyberajú najlepšie z náhodných reťazcov (najvyššie „ležiace“), až po miestne maximum (2). Cieľ ale musí určiť inteligentný dizajnér – laborant, ináč sa výstup zmení aj na zostup a túlanie.[4]

Pri tomto postupe sa využívajú princípy mikroevolúcie bežné v prírode. Na bielkovinu sa aplikujú postupne mutácia a selekcia, aby sme postupne dosiahli produkt s požadovanými vlastnosťami. Mutácie sú zvyčajne náhodné, ale selekčné kritérium určí inteligentný dizajnér – laborant – preto názov „smerovaná evolúcia“. Niekedy sa používa aj zlúčenie viacerých produktov – tým sa rýchlejšie získa produkt s rôznymi vlastnosťami z oboch zlúčených – rovnaký proces čo v sexuálne páriacich sa populáciách organizmov. Prístup týmto spôsobom však vyžaduje nákladné laboratórne vybavenie a ani to nemusí byť použiteľné pre rôzne bielkoviny. Často aj preverovanie mutantov, či spĺňajú požadované kritériá, býva veľmi náročné a neisté. Veľmi zaujímavé pri tomto prístupe v porovnaní s racionálnym dizajnom občas býva, že aj neočakávané mutácie môžu priniesť požadované výsledky. Tento jav známy aj z evolučných algoritmov nastáva preto, lebo na začiatku zvyčajne nie sú určené ani presne ohraničené možnosti úprav a preto môžu byť náhodne vzaté medzi riešenia aj neznáme postupy. Zvyčajne však je treba veľmi veľký počet cyklov-generácií na vyriešenie problému a ani ten nebýva zárukou, že sa nájde optimálne riešenie. Experimenty len podčiarkujú už skôr teoreticky zistené a dokázané tvrdenie, že tento postup extrémne závisí na jeho smerovaní inteligentným agentom, ktorý určuje selekčné kritériá a upravuje aj parametre mutácií – častosť a umiestnenie. Ináč aj napriek pomerne rýchlej generačnej obmene baktérií a iných organizmov by na požadované výsledky nestačil ani vek Zeme či vesmíru. Najúčinnejší sa preto momentálne javí postup používajúci oba prístupy – racionálny dizajn aj smerovanú evolúciu a to v teoretickej, počítačovej rovine aj laboratórnej. Boli získané viaceré cenné bielkoviny – úpravou prírodných alebo vytvorením umelých.[5][6][7]

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

  1. Richardson, JS; Richardson, DC (July 1989). "The de novo design of protein structures". Trends in Biochemical Sciences. 14 (7): 304–9.https://doi.org/10.1016%2F0968-0004%2889%2990070-4
  2. Baker, D (October 2010). "An exciting but challenging road ahead for computational enzyme design". Protein science : a publication of the Protein Society. 19 (10): 1817–9. doi:10.1002/pro.481. PMID 20717908.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20717908
  3. Khoury, GA; Fazelinia, H; Chin, JW; Pantazes, RJ; Cirino, PC; Maranas, CD (October 2009), "Computational design of Candida boidinii xylose reductase for altered cofactor specificity", Protein Science, 18 (10): 2125–38, doi:10.1002/pro.227, PMC 2786976, PMID 19693930 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19693930
  4. https://www.repository.cam.ac.uk/handle/1810/245207
  5. Behe, M.: Darwinova černá skříňka. Návrat domů, Praha. 2001.
  6. Aita, T; Hamamatsu, N; Nomiya, Y; Uchiyama, H; Shibanaka, Y; Husimi, Y (5 July 2002). "Surveying a local fitness landscape of a protein with epistatic sites for the study of directed evolution". Biopolymers. 64 (2): 95–105. doi:10.1002/bip.10126. PMID 11979520 https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11979520
  7. Ann K Gauger, Douglas D Axe: The Evolutionary Accessibility of New Enzymes Functions: A Case Study from the Biotin Pathway. BIO-Complexity Vol 2011. http://bio-complexity.org/ojs/index.php/main/article/view/BIO-C.2011.1/BIO-C.2011.1
  • Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Protein engineering na anglickej Wikipédii.

Literatúra[upraviť | upraviť zdroj]

  • Behe, M.: Darwinova černá skříňka. Návrat domů, Praha. 2001.
  • Marcel Shutzenberger, “Algorithms and the Neo-Darwinian Theory of Evolution,” in P.S. Morehead and M.M. Kaplan, eds., Mathematical Challenges to the Darwinian Interpretation of Evolution, (Wistar Institute Symposium Monograph, 1967).

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]

Externé odkazy[upraviť | upraviť zdroj]