Определение неактивности в синтезе белка: снижение потерь с помощью биореакторов BaiLun

Белки — это важные биомолекулы, которые выполняют важнейшие функции в каждой живой клетке. Их часто называют “workhorse molecules of life”, Белки выполняют широкий спектр функций, включая структуру, движение, пищеварение, иммунную защиту, сигнализацию и регуляцию клеточных процессов. И синтез белка является ключевой фазой, которая позволяет клеткам производить тысячи различных вариантов белка, необходимых для выполнения всех этих важных ролей.

That’s why understanding where are proteins synthesized имеет решающее значение для прогресса биомедицинской науки

В этой статье мы рассмотрим клеточные механизмы синтеза белка и их функции. Мы также рассмотрим, какую большую роль биореакторы и ферментеры играют в производстве белка в биотехнологических процессах. Давайте приступим к делу…

Основы синтеза белка

Синтез белка — это сложный биологический процесс, в ходе которого клетки производят белки, макромолекулы, которые выполняют практически все функции в клетке: от ферментативной активности и структуры до сигнализации и иммунных реакций. Синтез белка основан на генетической информации в ДНК. Этот процесс состоит из двух основных стадий:

• Stage 1 – Transcription: ДНК сначала преобразуется в информационную РНК (мРНК) посредством транскрипции. Это происходит в ядре у эукариот и в цитоплазме у прокариот. РНК-полимераза распознает промотор ДНК, вытягивает ДНК и создает мРНК. МРНК редактируется и отправляется в цитоплазму для трансляции.
• Stage 2 – Translation: Трансляция происходит в цитоплазме, где собираются белки. Рибосомы считывают кодон за кодоном мРНК для аминокислоты. Транспортная РНК (тРНК) переносит правильные аминокислоты, которые связываются в полипептидную цепь и сворачиваются в функциональный белок.

Где в клетке синтезируются белки?

Синтез белка происходит в нескольких ключевых местах внутри клетки. Они включают в себя рибосома, шероховатый эндоплазматический ретикулум (ЭР) и цитоплазма. Все эти клеточные структуры выполняют уникальные функции по синтезу и трансляции белков и, таким образом, дают информацию о том, как клетки могут генерировать и контролировать такие молекулы.

1). Рибосомы

Рибосомы отвечают за синтез белка как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Они состоят из двух основных частей: большой субъединицы и малой субъединицы. Эти субъединицы присутствуют как отдельные структуры, когда рибосома не функционирует активно, но объединяются во время трансляции, которая является процессом синтеза белка, когда аминокислоты соединяются вместе, образуя полипептиды.

• Прокариотические рибосомы:В прокариотических клетках (бактериях) рибосомы свободно плавают в цитоплазме, что позволяет им быстро реагировать на потребности клетки в белках.
• Эукариотические рибосомы: Эукариотические рибосомы могут свободно плавать в цитоплазме или быть прикрепленными к шероховатой ЭР. Прикрепленные к ЭР, они участвуют в производстве мембраносвязанных или секретируемых белков.

2). Шероховатый эндоплазматический ретикулум (ЭР)

Шероховатый ЭР имеет рибосомы, обернутые вокруг его цитоплазматической поверхности, поэтому именно здесь производятся белки для секреции или включения в клеточные мембраны. Затем белки, произведенные в грубом ЭР, транспортируются в аппарат Гольджи, где они очищаются и обрабатываются.

• Мембранные белки: Вырабатываемые в грубом ЭР, они участвуют в поддержании целостности клетки и в общении с внешним миром.
• Секреторные белки: Белки, называемые секреторными белками (гормоны, ферменты), вырабатываются в шероховатой ЭР и высвобождаются из клетки.

Шероховатый ЭР — это центр производства белков, где белки синтезируются и впервые сворачиваются в форму для использования в организме.

3). Цитоплазма

Свободные рибосомы в цитоплазме производят белки, которые работают внутри клетки, как ферменты, которые осуществляют метаболические реакции. Эти белки находятся внутри клетки и не высвобождаются из клетки.

Функция белка в цитоплазме:

• Ферменты  
• Структурные белки  
• Шаперонные белки  

Таким образом, цитоплазма необходима для производства белков, непосредственно поддерживающих внутренние процессы клетки.

Как синтезируются белки в биотехнологии?

В биотехнологии производство белков в больших количествах имеет решающее значение для широкого спектра отраслей, включая фармацевтику, сельское хозяйство и производство продуктов питания. И один из наиболее распространенных способов производства белков в больших количествах — это технология рекомбинантной ДНК. Это введение чужеродной ДНК в клетки для производства белков, которые не производятся клеткой-хозяином.

Что такое производство рекомбинантных белков?

Производство рекомбинантного белка — многоэтапный процесс, включающий:

• Клонирование генов: Сначала вам нужно найти ген, который кодирует белок, который вы хотите получить. Затем этот ген вставляется в плазмиду, небольшой кольцевой фрагмент ДНК, который может реплицироваться независимо от хромосом клетки-хозяина. Эта плазмида является средством для переноса гена в клетку-хозяина.
• Трансформация:После клонирования гена в плазмиду плазмида вводится в клетку-хозяина. Клетки-хозяева могут быть бактериями (например, E. coli), дрожжами или клетками млекопитающих. Попав внутрь клетки-хозяина, ген экспрессируется, и клетка начинает вырабатывать белок, указанный вставленным геном.
• Системы экспрессии: Клетка-хозяин — бактериальная, дрожжевая или млекопитающая — зависит от белка. Для простых белков используются бактериальные системы, для белков, требующих посттрансляционных модификаций, таких как гликозилирование (присоединение молекул сахара к белку), используются дрожжевые или млекопитающие клетки.

Ферментация и синтез белка

Ферментация — это биологический процесс, в котором клетки преобразуют питательные вещества в энергию, это ключевая часть биотехнологии, особенно в крупномасштабном производстве белка. Она обеспечивает контролируемую среду для роста клеток и синтеза белков, поэтому она важна в фармацевтике, пищевой промышленности и промышленных ферментах.

1). Микробная ферментация

Микробная ферментация использует бактерии, грибки или дрожжи для производства белков, часто с применением генной инженерии.

• Бактериальная ферментация: Escherichia coli — популярный выбор из-за быстрого роста и высокой экспрессии белка. Он идеально подходит для производства рекомбинантных белков, в которые вводятся чужеродные гены. Системы E. coli являются экономически эффективными и масштабируемыми.
• Дрожжевая ферментация: Дрожжи, особенно Saccharomyces cerevisiae, выбираются за их способность к посттрансляционным модификациям, таким как гликозилирование. Эти модификации важны для терапевтической стабильности и функциональности белка. Дрожжевые системы используются в фармацевтике, биотопливе и пищевой промышленности.

2). Ферментация животных клеток

Некоторые белки сложные, особенно терапевтические, требуют ферментации животных клеток. Клетки млекопитающих, такие как клетки яичника китайского хомячка (CHO), идеально подходят для производства высококачественных белков, таких как моноклональные антитела и терапевтические ферменты. Клетки CHO выполняют сложные модификации и производят белки, которые очень близки к человеческим белкам, что важно для медицинских процедур. Как при микробной, так и при животной ферментации биореакторы важны для оптимизации условий с целью максимизации выхода белка и минимизации побочных продуктов, чтобы обеспечить эффективность и масштабируемость.

Роль биореакторов в синтезе белка

Биореакторы являются ключом к оптимизации синтеза белка. Они предлагают подходящую среду, в которой можно манипулировать pH, температурой, концентрацией кислорода и питательных веществ. Это переменные, которые необходимо оптимизировать для целевого белка и контролировать для побочных продуктов. Таким образом, обеспечивая соответствующие условия для микробных или млекопитающих клеток, биореакторы повышают выход белка и высокое качество белков в больших количествах.

И одним из важных компонентов технологии биореактора является индикация и контроль различных факторов, которые влияют на образование белка. Биореакторы, которые работают сегодня, имеют сложные системы управления, с помощью которых параметры ферментации или клеточной культуры могут быть сделаны очень точными. Вот некоторые из систем управления, используемых в биореакторах:

• Контроль pH:pH ферментационной или культуральной среды оказывает большое влияние на ферменты и микробные клетки. Стабильный pH обеспечивает эффективное протекание биохимических реакций, участвующих в синтезе белка. Автоматизированный контроль pH добавляет кислоту или основание для поддержания оптимального pH для роста и производства белка.
• Контроль температуры: Температура важна для экспрессии белка. Каждый организм или тип клеток имеет оптимальный температурный диапазон для метаболической активности. Биореакторы с датчиками температуры и системой нагрева или охлаждения поддерживают температуру в этом диапазоне, чтобы предотвратить денатурацию белка и максимизировать производство.
• Мониторинг растворенного кислорода: Кислород имеет решающее значение для аэробных организмов, особенно в процессах, где рост клеток и синтез белка зависят от аэробного метаболизма. Биореакторы имеют зонды растворенного кислорода, которые позволяют непрерывно измерять концентрацию кислорода для удовлетворения потребностей роста клеток микроорганизмов или млекопитающих. Автоматизированная система управления контролирует скорость аэрации для регулирования подачи и потребления кислорода, который мешает функционированию клеток.

Какие биореакторы используются в синтезе белка?

В зависимости от белка, масштаба и требований, в синтезе белка используются различные биореакторы. Ниже приведены наиболее распространенные типы, их особенности, преимущества и проблемы:

1. Биореакторы периодического действия

Биореакторы периодического действия — это простое решение для синтеза белка, особенно для процессов, не требующих непрерывной подачи питательных веществ. Они используются для мелкосерийного или пилотного производства.

Функции:

• Работают в закрытой системе с фиксированным объемом питательных веществ, добавляемых в начале.
• Контролирует и контролирует pH, кислород и температуру на протяжении всего процесса.
• В конце производственного цикла собирают всю культуру.

Периодические биореакторы экономически эффективны и просты в использовании, подходят для небольших масштабов или исследовательских целей. Но неэффективны для крупномасштабного производства, поскольку истощение питательных веществ и накопление побочных продуктов с течением времени могут ограничить рост клеток и выход белка.

2. Биореакторы непрерывного действия

Другой тип биореактора — это непрерывный биореактор, предназначенный для крупномасштабного производства белка. Этот тип биореакторов наиболее подходит там, где необходимо поддерживать стабильное производство в течение длительных периодов времени.

Основные характеристики:

• В реактор непрерывно подаются свежие питательные вещества, одновременно с этим происходит сбор урожая.
• Для контроля уровня питательных веществ и отходов применяются современные устройства мониторинга.
• Интегрированы современные системы мониторинга для поддержания баланса питательных веществ и отходов.

Непрерывные системы доказали свою высокую производительность, а производимый белок имеет однородное качество, характеристики, которые делают его пригодным для крупномасштабного производства. Но они требуют сложного контроля и уязвимы к изменениям условий эксплуатации, что влияет на урожайность и качество продукции.

3. Биореакторы с подпиткой

Биореакторы периодического действия сочетают в себе преимущества периодических и непрерывных систем, что делает их универсальными для производства высококачественных белков, таких как моноклональные антитела и ферменты.

Основные характеристики:

• Биореакторы с периодической загрузкой представляют собой сочетание периодического и непрерывного процессов, которые полезны при производстве ценных белков, таких как моноклональные антитела и ферменты.
• Предотвращает истощение питательных веществ и накопление побочных продуктов, которые могут подавлять рост клеток.
• Обеспечивает точный контроль над стратегиями кормления для оптимизации производства белка.

Благодаря своей гибкости и высокой производительности их можно использовать как в лабораториях, так и в промышленности. Однако они требуют строгого контроля измерений, частоты подачи и размеров порций, что может привести к увеличению сложности эксплуатации.

4. Аэролифтные биореакторы

Биореакторы с воздушным лифтом используются для производства белка из микробных или млекопитающих клеток, когда требуются низкие скорости сдвига. Они используют поток газа для смешивания, а не механическое перемешивание.

Основные характеристики:

• Используйте нагнетание воздуха или газа для создания внутренней циркуляции и переноса кислорода.
• Бережное перемешивание для чувствительных линий клеток или белков.
• Энергоэффективность и минимальное количество механических деталей.

Биореакторы с воздушным лифтом отлично подходят для приложений, требующих эффективной оксигенации и низкого клеточного стресса, например, для культивирования клеток млекопитающих для биофармацевтики. Но поток газа для смешивания ограничивает их использование определенными типами клеток или белков, а масштабирование требует тщательного рассмотрения конструкции.

5. Биореакторы с перемешивающим устройством

Биореакторы с перемешивающим устройством являются наиболее используемыми системами для производства белка, они обеспечивают большую гибкость и контроль над условиями производства.

Основные характеристики:

• Имеют механический привод импеллера для равномерного перемешивания питательных веществ, газов и клеток.
• Обеспечивает точный контроль параметров окружающей среды, таких как температура, pH и растворенный кислород.
• Совместимы со всеми весами: от лабораторных до промышленных.

Эти биореакторы универсальны, подходят для микробных и млекопитающих клеточных культур. Они поддерживают оптимальные условия для высокого выхода и качества белка. Но механические части могут создавать сдвиговое напряжение, которое может повлиять на чувствительные клеточные линии или белки.

Заключение

Синтез белка — критически важный клеточный процесс. И, узнав больше о его работе и повысив эффективность его производства с помощью лучших биореакторов, пищевая, фармацевтическая и другие отрасли промышленности могут эффективно удовлетворять мировые потребности в белках. BaiLun Biotechnology Co., Ltd лидирует, разрабатывая новые и эффективные биореакторы, которые полностью устраняют текущие недостатки старых моделей.

Биореакторы BaiLun Biotechnology Co., Ltd функциональны, недороги и надежны. Будь то лабораторная система или промышленное оборудование, BaiLun предлагает технологические решения и профессиональные консультационные услуги, чтобы обеспечить ваш успех. Свяжитесь с BaiLun сегодня и узнайте, как мы можем усовершенствовать ваши биотехнологические процессы.