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A fantástica jornada da síntese de proteínas livres de células: como criar o código da vida no laboratório?
Com o avanço contínuo da ciência e da tecnologia, a síntese de proteínas livres de células (CFPS) tornou-se gradualmente uma tecnologia indispensável nas áreas de pesquisa biológica e farmacêutica. Esta tecnologia permite aos investigadores utilizar a maquinaria biológica dentro da célula para sintetizar a proteína desejada sem depender de células vivas.
Introdução
A síntese de proteínas livres de células funciona usando extratos celulares, combinando fontes de energia, aminoácidos, cofatores como magnésio e DNA contendo o gene a ser expresso. Ao lisar as células e remover impurezas como as paredes celulares, o extrato celular obtido contém vários mecanismos biológicos necessários para a síntese de proteínas. Os sistemas livres de células oferecem maior flexibilidade no controle do ambiente sintético do que a síntese intracelular tradicional, tornando a síntese proteica livre de células mais vantajosa para certas aplicações.
O ambiente para a síntese de proteínas livres de células não é restrito pela parede celular ou pela homeostase celular.
Vantagens e aplicações
A síntese proteica livre de células tem muitas vantagens óbvias sobre a síntese tradicional in vivo, sendo a mais notável a sua rapidez. A preparação para reações com CFPS geralmente leva apenas 1 a 2 dias, enquanto a expressão proteica em células vivas pode levar 1 a 2 semanas. Além disso, a natureza aberta do CFPS permite aos pesquisadores controlar diretamente o ambiente químico, facilitando a amostragem e o monitoramento das reações.
Além disso, o CFPS também é capaz de sintetizar eficientemente proteínas tóxicas, o que representaria um obstáculo ao utilizar células vivas. Portanto, os sistemas sem células são ideais para muitas aplicações, como:
- A incorporação de aminoácidos não naturais em estruturas proteicas expande o escopo de aplicações do código genético.
- O CFPS também mostrou seu potencial na síntese de nanomáquinas e modelos de circuitos de ácidos nucleicos.
- Desenvolver partículas semelhantes a vírus para uso em vacinas, tratamentos medicamentosos, etc.
Fatores limitantes
Embora o CFPS tenha diversas vantagens, ainda existem alguns desafios. Particularmente em termos de degradação do DNA, as nucleases endógenas em extratos celulares são particularmente destrutivas para modelos de expressão linear (LETs). Os pesquisadores descobriram que embora o DNA circular (como os plasmídeos) não seja afetado pelas nucleases terminais, os LETs são vulneráveis ao ataque dessas enzimas devido às suas características estruturais. Portanto, muitos estudos estão atualmente focados em melhorar o rendimento de LETs para alcançar resultados de desempenho comparáveis aos dos plasmídeos.
Os pesquisadores usaram a proteína lambda gam do bacteriófago para proteger o LET, aumentando significativamente o rendimento do CFPS.
Tipos de sistemas sem células
Os extratos livres de células atualmente utilizados são derivados principalmente de Escherichia coli (E. coli), glóbulos vermelhos de coelho, gérmen de trigo, células de insetos e leveduras, etc., e estão todos disponíveis comercialmente. O extrato de E. coli é a escolha mais popular devido ao seu baixo custo e rendimento eficiente. No entanto, se forem realizadas múltiplas pós-modificações na proteína, o sistema eucariótico correspondente precisa ser selecionado para obter melhor desempenho.
Ao selecionar uma extração, as considerações devem ser feitas com base no tipo de pós-modificação desejada, no rendimento e no custo.
Antecedentes históricos
A síntese de proteínas livres de células tem uma história de mais de 60 anos. Desde os primeiros experimentos conduzidos por Marshall Nirenberg e Heinrich J. Matthaei nos Institutos Nacionais de Saúde em 1961, eles usaram um sistema livre de células para traduzir uma cadeia de RNA poliuracil. sequências e sintetizou com sucesso apenas polipeptídeos contendo fenilalanina, estabelecendo assim a conexão entre o codificador e o aminoácido e promoveu o desenvolvimento adicional da biologia molecular.
Tomados em conjunto, o desenvolvimento da tecnologia de síntese de proteínas livres de células e as suas diversas perspectivas de aplicação fazem os cientistas pensarem se a ciência e a tecnologia futuras podem romper ainda mais as fronteiras actuais e alcançar resultados mais surpreendentes à medida que os cientistas continuam a explorar os mistérios da vida.
