تصنيع البروتين دون استخدام خلايا

التعبير عن البروتينات:

تخليق البروتين هو المهمة الرئيسية للبيولوجيا التخليقية الخالية من الخلايا، ولهذا السبب تم تطوير الأنظمة الخالية من الخلايا في المقام الأول، حيث تتمثل إحدى ميزات الأنظمة الخالية من الخلايا في تصميم وإنتاج البروتينات التي يصعب التعبير عنها في أنظمة الخلايا.

عادةً ما تشتمل البروتينات التي يصعب التعبير عنها على بروتينات غشائية ومجمعات بروتينية، وعادة ما يتضمن تعبيرهم مشاكل في الطي أو التجميع أو السمية إذ تتداخل البروتينات السامة مع التمثيل الغذائي الخلوي وتمنع انقسام الخلايا، ومع ذلك نظرًا لعدم وجود نمو للخلايا والاستقلاب الخلوي المعقد، فإن الأنظمة الخالية من الخلايا تتمتع بدرجة عالية من التحمل للبروتينات السامة وبالإضافة إلى ذلك، تتيح بيئة التفاعل المفتوحة التنظيم المباشر لطي البروتين وتجميعه.

لطالما كان تخليق البروتينات الغشائية مشكلة مزمنة، حيث تشكل الجينات المشفرة لبروتينات الغشاء 30٪ من الجينوم البشري وتمثل 60٪ من أهداف الأدوية المعتمدة، وبالمقارنة مع أنظمة الخلايا تكون الأنظمة الخالية من الخلايا مخففة للغاية وهو أمر مفيد لطي البروتين.

إضافة المنظفات والجسيمات الشحمية أو المرافقات تحسن بشكل كبير من طي البروتينات الغشائية الأصلية أو المقطوعة، وتم استخدام مقتطفات من (E. coli) وجنين القمح و(S. frugiperda) و(CHO) و(Human K562) و(L. tarentolae)، بالإضافة إلى نظام (PURE) لتجميع بروتينات الغشاء بما في ذلك (aquaporin Z) وبروتين غشاء فيروس التهاب الكبد C، وقناة البوتاسيوم (KcsA).

المواد التركيبية الحمض الريبي النووي النقال:

ينتج عن التخليق الحيوي للبروتين في الريبوسوم تحويل المعلومات الوراثية للحمض النووي إلى عديد الببتيدات الضرورية للوظيفة الخلوية، حيث يتطلب تكوين رابطة الببتيد العديد من العوامل المساعدة للبروتين والنيوكليوتيدات، بالإضافة إلى الريبوسوم نفسه ويتم تنظيمه بإحكام لضمان الترجمة الدقيقة.

تعتبر تركيبات نقل الحمض النووي الريبي من العناصر الأساسية في هذا المسار التركيبي، إذ يعلق كل إنزيم في العائلة حمضًا أمينيًا معينًا إلى الحمض الريبي النووي النقال المقابل له، وبالتالي يحدد قواعد الكود الجيني، وتستخدم الكائنات الحية ما يصل إلى 20 مركبًا من الحمض الريبي النووي النقال لتوليد (aminoacyl-tRNAs) واحد لكل من الأحماض الأمينية العشرين القياسية.

في حين أن جميع تركيبات الحمض النووي الريبي (tRNA) تنفذ نفس الكيمياء الأساسية، إلا أنها تتميز ببنيتها وتنظيمها وغالبًا بوظائف جديدة خارج دورها الأساسي في التخليق الحيوي للبروتين، وبالإضافة إلى دورها الحاسم في تخليق البروتين فقد أصبح من الواضح أن (AARSs) تشارك في العديد من المسارات الخلوية الأخرى.

تنظم بعض (AARS) النسخ والترجمة الخاصة بهم، بينما يساهم البعض الآخر في أنشطة الربط في الميتوكوندريا، حيث يُعتقد أن (aminoacylation) النووية للـ (tRNAs) بواسطة (AARSs) المستوردة هي آلية مراقبة الجودة لضمان أن الحمض الريبي النووي النقال الناضج والنشط فقط هو الذي يتم إطلاقه بفعالية إلى السيتوبلازم لتخليق البروتين.

يبدو أيضًا أن موت الخلايا المبرمج يحتوي على مكون (AARS) إذ يمكن أن ينقسم سينثيتاز التيروزيل-الحمض الريبي النووي النقال البشري إلى عديد ببتيدات مع أنشطة خلوية مميزة، على الرغم من عدم وجود مثل هذا النشاط في (TyrRS) كامل الطول، ومن المحتمل أنه بمرور الوقت سيتم تحديد العديد من الوظائف غير الترجمة لـ (AARS).

وفرة الحمض النووي الريبي واستخدام الكودون:

يعتمد تخليق البولي ببتيد على الإمداد الكافي من الحمض الريبي النووي النقال المشحون بـ 20 من الأحماض الأمينية البروتينية والتفاعلات المناسبة بين مضادات الكودونات الخاصة بهم وكودونات الرنا المرسال، حيث يتم تقليل استطالة سلسلة الببتيد أو تثبيطها بسبب نقص الأحماض الأمينية أو الحالات الأخرى التي تؤدي إلى اختلال أو نقص في (aminoacyl-tRNAs).

توجد رنا مختلف في العصارة الخلوية بكميات غير متساوية ومعدلات الاستطالة أبطأ في الكودونات المقابلة لأنواع الحمض الريبي النووي النقال النادرة، إذ يثير وجود الكودونات المترادفة مسألة الاستخدام التفضيلي لبعض الكودونات، وأهميتها المحتملة فيما يتعلق بكفاءة الترجمة والتحكم.

في بعض البكتيريا على سبيل المثال (Pseudomonas aeruginosa) التي تحتوي على نسبة عالية من G + C) 67.2٪) في الحمض النووي فإن الأكواد الأكثر شيوعًا هي تلك التي تحتوي على أقوى تفاعل متنبأ به بين الكودون والمضاد أي أزواج قاعدة (G + C) لكن هذا التفضيل ليس عالميًا وعلى سبيل المثال لا ينطبق على الإشريكية القولونية التي تحتوي على نسبة أقل من G + C) 50٪).

على الرغم من أن استخدام الكودون قد يلعب دورًا في تحديد معدلات الاستطالة، فمن المحتمل أن يكون أقل أهمية في التحكم الترجمي من البنية الثانوية لـ (mRNA) فيما يتعلق بمعدل بدء تخليق البروتين.