Белковая инженерия: различия между версиями

Текущая версия от 17:22, 26 февраля 2021

Белковая инженерия занимается разработкой белков, которые могут принимать участие в метаболизме клетки, экспрессии генов, улучшению структуры клетки или доставке веществ внутрь клетки из внешнего мира. Как дисциплина, белковая инженерия исследует фолдинг (сворачивание) белков, а также принципы их создания и модификации.

Методы[править]

Направленная модификация - для внесения изменений использует подробное знание об устройстве и назначении молекулы белка
Направленная эволюция - из случайных мутантов белка отбираются экземпляры наиболее близкие целевым параметрам, после чего случайный мутагенез повторяется, пока в итоге не будут получены мутанты целевым параметрам удовлетворяющие (циклы мутация-селекция).

Примеры[править]

Энзимы[править]

Энзимы или ферменты, это белки, выполняющие роль биологических катализаторов. Найдено множество видов для каждого типа энзима.

В еде[править]

Трансглютаминазы - группа энзимов, которые применяются в пищевой индустрии и молекулярной кухне. Альтернативное название, "мясной клей", говорит о многом - трансглютаминаза позволяет склеить и сформировать фарш. (Википедия)

В фармакологии[править]

Гиалуронидазы - группа энзимов, которая применяется в медицине для повышения биодоступности лекарств и вакцин.

В моющих средствах[править]

Энзимы для моющих средств производятся в промышленных масштабах. Они дают гораздо лучший баланс между стоимостью производства и безопасностью для потребителя, детей и домашних животных. Распространённые виды:

липаза - расщепляет липиды
протеаза - расщепляет белки, производится из сои^[1]
амилаза - расщепляет крахмал и соединения с ним, производится бактериями и грибками^[2] ^[3]
целлюлаза - расщепляет целлюлозу
пектиназа - расщепляет пектин
кератиназа - расщепляет кератин

Перспективы[править]

Нанотехнологии[править]

Белок - основной "стройматериал" для организма, так как его просто создавать в больших количествах и белки могут выполнять самые разные функции. Есть целая связанная область науки - нанотехнология протеинов^[4].

Метаболизм пластика и биопластик[править]

Загрязнение пластиком - известная современная проблема. Создание новых белков, которые смогут разложить его может быть одним из решений. Создание белков, которые станут компонентами новых видов пластика или пойдут ему на замену в некоторых индустриях - не менее ценная инициатива.^[5]

Бесклеточные системы трансляции[править]

Бесклеточные системы трансляции (англ. «Cell-free translation systems»)^[6]^[7] - альтернатива получению белков in vivo.

Процесс происходит таким образом: ДНК или мРНК добавляется в раствор и белки получаются без участия клеток.

    Cell-free translation systems are based on the ribosomal protein system
    of cells, which is provided as a cell extract from Escherichia coli etc. obtained as a supernatant
    upon centrifugation at 30’000 g. This supernatant contains necessary compounds for protein
    synthesis, such as ribosomes, t-RNAs, translation factors and aminoacyl-tRNA synthetases.

Стройматериалы[править]

Человечество использует дерево как материал на протяжении практически всего своего развития. Можно ли развить дерево и придумать лучшие альтернативы целлюлозе? Можно ли вырастить здание?

Есть три пути, которые позволят рассмотреть эту тему.

Грибки + разложение отходов
Фотосинтез, как это делают растения. В таком разрезе, для фотосинтеза необходима только вода, углекислый газ и минимум материалов, а для разложения - добавочная масса отходов для переработки.
Переработка отходов и последующее использование бесклеточной системы трансляции

Требуется информация от эксперта!
Запрос: Следует ли рассматривать разработку белков и новых организмов для замены стройматериалов, как идею, которая может быть однажды практичной?
Экспертиза: биолог, физик

Требуется информация от эксперта!
Запрос: Какие энергозатраты понадобятся для создания массы белка путём фотосинтеза из углекислого газа? Что выгоднее: цианобактерии или генномодифицированные растения?
Экспертиза: биолог, физик

Требуется информация от эксперта!
Запрос: Какие энергозатраты понадобятся для создания массы белка путём разложения грибком? Не возникнет ли проблемы с доставкой материала между клетками?
Экспертиза: биолог, физик

Требуется информация от эксперта!
Запрос: Какие энергозатраты понадобятся для предварительной переработки органических отходов, если для получения белков будет применяться бесклеточная система трансляции?
Экспертиза: биолог, физик

Требуется информация от эксперта!
Запрос: Какие проблемы можно ожидать от работы бесклеточной системы трансляции в контексте индустриального производства белка?
Экспертиза: биолог

Инструменты[править]

AlphaFold

Ссылки[править]

Википедия

↑ High-yield Bacillus subtilis protease production by solid-state fermentation, Valeria F Soares, Leda R Castilho, Elba P S Bon, Denise M G Freire, PMID: 15917609
↑ Elmansy, E.A., Asker, M.S., El-Kady, E.M. et al. Production and optimization of α-amylase from thermo-halophilic bacteria isolated from different local marine environments. Bull Natl Res Cent 42, 31 (2018)
↑ Singh, Shalini & Singh, Sanamdeep & Bali, Vrinda & Sharma, Lovleen & Mangla, Jyoti. (2014). Production of Fungal Amylases Using Cheap, Readily Available Agriresidues, for Potential Application in Textile Industry. BioMed research international. 2014. 215748.
↑ NCBI: Protein nanotechnology: what is it?, Juliet A Gerrard, PMID: 23504415
↑ Здесь следует отметить, что сейчас крайне популярен биопластик, изготовленный из крахмала, который является полимером, хоть и извлекается из картофеля и кукурузы.
↑ Protein Engineering Methods and Applications, Burcu Turanli-Yildiz, Ceren Alkim, Z. Petek Cakar, Feb. 2012
↑ Cell‐free translation systems for protein engineering , Yoshihiro Shimizu, Yutetsu Kuruma, Bei‐Wen Ying, So Umekage, Takuya Ueda, August 2006

[1] High-yield Bacillus subtilis protease production by solid-state fermentation, Valeria F Soares, Leda R Castilho, Elba P S Bon, Denise M G Freire, PMID: 15917609

[2] Elmansy, E.A., Asker, M.S., El-Kady, E.M. et al. Production and optimization of α-amylase from thermo-halophilic bacteria isolated from different local marine environments. Bull Natl Res Cent 42, 31 (2018)

[3] Singh, Shalini & Singh, Sanamdeep & Bali, Vrinda & Sharma, Lovleen & Mangla, Jyoti. (2014). Production of Fungal Amylases Using Cheap, Readily Available Agriresidues, for Potential Application in Textile Industry. BioMed research international. 2014. 215748.

[4] NCBI: Protein nanotechnology: what is it?, Juliet A Gerrard, PMID: 23504415

[5] Здесь следует отметить, что сейчас крайне популярен биопластик, изготовленный из крахмала, который является полимером, хоть и извлекается из картофеля и кукурузы.

[6] Protein Engineering Methods and Applications, Burcu Turanli-Yildiz, Ceren Alkim, Z. Petek Cakar, Feb. 2012

[7] Cell‐free translation systems for protein engineering , Yoshihiro Shimizu, Yutetsu Kuruma, Bei‐Wen Ying, So Umekage, Takuya Ueda, August 2006

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

@@ Строка 1: / Строка 1: @@
-'''Белковая инженерия''' занимается разработкой белков, которые могут принимать участие в метаболизме клетки, экспрессии генов, улучшению структуры клетки или доставки веществ или сигналов внутрь клетки из внешнего мира. Как дисциплина, Белковая инженерия исследует фолдинга (сворачивание) белков, а также принципы их модификации и создания.
+'''Белковая инженерия''' занимается разработкой [[Белки|белков]], которые могут принимать участие в метаболизме клетки, экспрессии генов, улучшению структуры клетки или доставке веществ внутрь клетки из внешнего мира. Как дисциплина, ''белковая инженерия'' исследует фолдинг (сворачивание) [[Белки|белков]], а также принципы их создания и модификации.
-==Методы==
+== Методы ==
 * Направленная модификация - для внесения изменений использует подробное знание об устройстве и назначении молекулы белка
-* Направленная эволюция - из случайных мутантов белка отбираются экземпляры наиболее близкие целевым параметрам, после чего случайный мутагенез повтоярется, пока в итоге не будут получены мутанты удовлетворяющие целевым параметрам (циклы мутация-селекция).
+* Направленная эволюция - из случайных мутантов белка отбираются экземпляры наиболее близкие целевым параметрам, после чего случайный мутагенез повторяется, пока в итоге не будут получены мутанты целевым параметрам удовлетворяющие (циклы мутация-селекция).
+== Примеры ==
+=== Энзимы ===
+Энзимы или ферменты, это белки, выполняющие роль биологических катализаторов.
+Найдено множество видов для каждого типа энзима.
+==== В еде ====
+Трансглютаминазы - группа энзимов, которые применяются в пищевой индустрии и молекулярной кухне.
+Альтернативное название, "мясной клей", говорит о многом - трансглютаминаза позволяет склеить и сформировать фарш. ([https://en.wikipedia.org/wiki/Transglutaminase Википедия])
+==== В фармакологии ====
+Гиалуронидазы - группа энзимов, которая применяется в медицине для повышения биодоступности лекарств и вакцин.
+==== В моющих средствах ====
+Энзимы для моющих средств производятся в промышленных масштабах.
+Они дают гораздо лучший баланс между стоимостью производства и безопасностью для потребителя, детей и домашних животных.
+Распространённые виды:
+* липаза - расщепляет липиды
+* протеаза - расщепляет белки, производится из сои<ref>[https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15917609/ High-yield Bacillus subtilis protease production by solid-state fermentation], Valeria F Soares, Leda R Castilho, Elba P S Bon, Denise M G Freire, PMID: 15917609</ref>
+* амилаза - расщепляет крахмал и соединения с ним, производится бактериями и грибками<ref>Elmansy, E.A., Asker, M.S., El-Kady, E.M. et al. [https://doi.org/10.1186/s42269-018-0033-2 Production and optimization of α-amylase from thermo-halophilic bacteria isolated from different local marine environments]. Bull Natl Res Cent 42, 31 (2018)</ref> <ref>Singh, Shalini & Singh, Sanamdeep & Bali, Vrinda & Sharma, Lovleen & Mangla, Jyoti. (2014). [https://www.hindawi.com/journals/bmri/2014/215748/ Production of Fungal Amylases Using Cheap, Readily Available Agriresidues, for Potential Application in Textile Industry]. BioMed research international. 2014. 215748.</ref>
+* целлюлаза - расщепляет целлюлозу
+* пектиназа - расщепляет пектин
+* кератиназа - расщепляет кератин
+== Перспективы ==
+=== Нанотехнологии ===
+Белок - основной "стройматериал" для организма, так как его просто создавать в больших количествах и белки могут выполнять самые разные функции. Есть целая связанная область науки - нанотехнология протеинов<ref>NCBI: [https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23504415/ Protein nanotechnology: what is it?], Juliet A Gerrard, PMID: 23504415</ref>.
+=== Метаболизм пластика и биопластик ===
+Загрязнение пластиком - известная современная проблема. Создание новых белков, которые смогут разложить его может быть одним из решений. Создание белков, которые станут компонентами новых видов пластика или пойдут ему на замену в некоторых индустриях - не менее ценная инициатива.<ref>Здесь следует отметить, что сейчас крайне популярен биопластик, изготовленный из крахмала, который является полимером, хоть и извлекается из картофеля и кукурузы.</ref>
+* [https://www.intechopen.com/ InTechOpen] - [https://www.intechopen.com/books/protein-engineering/protein-engineering-methods-and-applications Protein Engineering Methods and Applications]
+* [https://www.intechopen.com/ InTechOpen] - [https://www.intechopen.com/books/protein-engineering-technology-and-application/protein-engineering-of-enzymes-involved-in-bioplastic-metabolism Protein engineering of enzymes involved in bioplastic metabolism]
+* [https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page Wikipedia] - [https://en.wikipedia.org/wiki/Bioplastic Bioplastic]
+=== Бесклеточные системы трансляции ===
+Бесклеточные системы трансляции (англ. «Cell-free translation systems»)<ref>Protein Engineering Methods and Applications, Burcu Turanli-Yildiz, Ceren Alkim, Z. Petek Cakar, Feb. 2012</ref><ref>[https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/j.1742-4658.2006.05431.x Cell‐free translation systems for protein engineering]
+, Yoshihiro Shimizu, Yutetsu Kuruma, Bei‐Wen Ying, So Umekage, Takuya Ueda, August 2006</ref> - альтернатива получению белков ''[[in vivo]]''.
+Процесс происходит таким образом: ДНК или [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%A0%D0%9D%D0%9A мРНК] добавляется в раствор и белки получаются без участия клеток.
+     Cell-free translation systems are based on the ribosomal protein system
+     of cells, which is provided as a cell extract from Escherichia coli etc. obtained as a supernatant
+     upon centrifugation at 30’000 g. This supernatant contains necessary compounds for protein
+     synthesis, such as ribosomes, t-RNAs, translation factors and aminoacyl-tRNA synthetases.
+=== Стройматериалы ===
+Человечество использует дерево как материал на протяжении практически всего своего развития. Можно ли развить дерево и придумать лучшие альтернативы целлюлозе? Можно ли вырастить здание?
+Есть три пути, которые позволят рассмотреть эту тему.
+* Грибки + разложение отходов
+* Фотосинтез, как это делают растения. В таком разрезе, для фотосинтеза необходима только вода, углекислый газ и минимум материалов, а для разложения - добавочная масса отходов для переработки.
+* Переработка отходов и последующее использование бесклеточной системы трансляции
+{{Запрос экспертизы
+| text=Следует ли рассматривать разработку белков и новых организмов для замены стройматериалов, как идею, которая может быть однажды практичной?
+| qualification=биолог, физик
+}}
+{{Запрос экспертизы
+| text=Какие энергозатраты понадобятся для создания массы белка путём фотосинтеза из углекислого газа? Что выгоднее: цианобактерии или генномодифицированные растения?
+| qualification=биолог, физик
+}}
+{{Запрос экспертизы
+| text=Какие энергозатраты понадобятся для создания массы белка путём разложения грибком? Не возникнет ли проблемы с доставкой материала между клетками?
+| qualification=биолог, физик
+}}
+{{Запрос экспертизы
+| text=Какие энергозатраты понадобятся для предварительной переработки органических отходов, если для получения белков будет применяться бесклеточная система трансляции?
+| qualification=биолог, физик
+}}
+{{Запрос экспертизы
+| text=Какие проблемы можно ожидать от работы бесклеточной системы трансляции в контексте индустриального производства белка?
+| qualification=биолог
+}}
+== Инструменты ==
-==Компании==
 * [[AlphaFold]]
+== Ссылки ==
+[https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D0%BB%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%B8%D0%BD%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%8F Википедия]
+[[Категория:Незавершённые статьи]]
+[[Категория:Биология]]