Белковая инженерия

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

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

Энзимы в моющих средствах

Энзимы или ферменты, это белки, выполняющие роль биологических катализаторов. Найдено множество видов для каждого типа энзима и они производятся в промышленных масштабах для моющих средств. 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
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^[2].

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.^[3]

Бесклеточные системы трансляции

Бесклеточные системы трансляции (англ. «Cell-free translation systems»)^[4]^[5] - 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

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

AlphaFold

Ссылки

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

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

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

[5] 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]