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Die fantastische Reise der zellfreien Proteinsynthese: Wie erstellt man den Code des Lebens im Labor?
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die zellfreie Proteinsynthese (CFPS) nach und nach zu einer unverzichtbaren Technologie in den Bereichen biologische Forschung und Pharmazeutik geworden. Diese Technologie ermöglicht es Forschern, die biologische Maschinerie innerhalb der Zelle zu nutzen, um das gewünschte Protein zu synthetisieren, ohne auf lebende Zellen angewiesen zu sein.
Einführung
Die zellfreie Proteinsynthese funktioniert durch die Verwendung von Zellextrakten, die Kombination von Energiequellen, Aminosäuren, Cofaktoren wie Magnesium und DNA, die das auszudrückende Gen enthält. Durch die Lyse von Zellen und die Entfernung von Verunreinigungen wie Zellwänden enthält der gewonnene Zellextrakt verschiedene biologische Mechanismen, die für die Proteinsynthese erforderlich sind. Zellfreie Systeme bieten eine größere Flexibilität bei der Steuerung der synthetischen Umgebung als die herkömmliche intrazelluläre Synthese, wodurch die zellfreie Proteinsynthese für bestimmte Anwendungen vorteilhafter ist.
Die Umgebung für die zellfreie Proteinsynthese wird nicht durch die Zellwand oder die zelluläre Homöostase eingeschränkt.
Vorteile und Anwendungen
Die zellfreie Proteinsynthese hat viele offensichtliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen In-vivo-Synthese, der bemerkenswerteste ist ihre Schnelligkeit. Die Vorbereitung von Reaktionen mit CFPS dauert im Allgemeinen nur 1 bis 2 Tage, während die Proteinexpression in lebenden Zellen 1 bis 2 Wochen dauern kann. Darüber hinaus ermöglicht die offene Natur von CFPS den Forschern die direkte Kontrolle der chemischen Umgebung, was die Probenahme und Reaktionsüberwachung erleichtert.
Darüber hinaus ist CFPS auch in der Lage, toxische Proteine effizient zu synthetisieren, was bei der Verwendung lebender Zellen ein Hindernis darstellen würde. Daher sind zellfreie Systeme ideal für viele Anwendungen wie:
- Der Einbau unnatürlicher Aminosäuren in Proteinstrukturen erweitert den Anwendungsbereich des genetischen Codes.
- CFPS hat sein Potenzial auch bei der Synthese von Nanomaschinen und Nukleinsäure-Schaltkreismodellen gezeigt.
- Entwickeln Sie virusähnliche Partikel zur Verwendung in Impfstoffen, Arzneimittelbehandlungen usw.
Begrenzende Faktoren
Obwohl CFPS mehrere Vorteile bietet, gibt es dennoch einige Herausforderungen. Insbesondere im Hinblick auf den DNA-Abbau sind endogene Nukleasen in Zellextrakten besonders destruktiv für lineare Expressionstemplates (LETs). Die Forscher fanden heraus, dass zirkuläre DNA (wie Plasmide) zwar nicht durch terminale Nukleasen beeinträchtigt wird, LETs jedoch aufgrund ihrer strukturellen Eigenschaften anfällig für Angriffe durch diese Enzyme sind. Daher konzentrieren sich viele Studien derzeit auf die Verbesserung der Ausbeute von LETs, um Leistungsergebnisse zu erzielen, die mit denen von Plasmiden vergleichbar sind.
Die Forscher verwendeten das Gam-Protein des Bakteriophagen Lambda, um LET zu schützen, wodurch die Ausbeute an CFPS erheblich gesteigert wurde.
Arten zellfreier Systeme
Die derzeit verwendeten zellfreien Extrakte stammen hauptsächlich aus Escherichia coli (E. coli), roten Blutkörperchen von Kaninchen, Weizenkeimen, Insektenzellen und Hefe usw. und sind alle im Handel erhältlich. E. coli-Extrakt ist aufgrund seiner geringen Kosten und effizienten Ausbeute die beliebteste Wahl. Wenn jedoch mehrere nachträgliche Modifikationen am Protein vorgenommen werden, muss das entsprechende eukaryotische System ausgewählt werden, um eine bessere Leistung zu erzielen.
Bei der Auswahl eines Extrakts müssen Überlegungen angestellt werden, die auf der Art der gewünschten Nachbearbeitung, dem Durchsatz und den Kosten basieren.
Historischer Hintergrund
Die zellfreie Proteinsynthese hat eine mehr als 60-jährige Geschichte. Seit den ersten Experimenten, die Marshall Nirenberg und Heinrich J. Matthaei 1961 an den National Institutes of Health durchführten, verwendeten sie ein zellfreies System, um eine Reihe von Polyuracil-RNA zu übersetzen Sequenzen und synthetisierte erfolgreich nur Phenylalanin-haltige Polypeptide, stellte so die Verbindung zwischen dem Encoder und der Aminosäure her und förderte die Weiterentwicklung der Molekularbiologie.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklung der zellfreien Proteinsynthesetechnologie und ihre vielfältigen Anwendungsaussichten Wissenschaftler darüber nachdenken lassen, ob zukünftige Wissenschaft und Technologie die aktuellen Grenzen weiter durchbrechen und erstaunlichere Ergebnisse erzielen können, während Wissenschaftler weiterhin die Geheimnisse des Lebens erforschen.
