Белковая инженерия

БЕЛКОВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, направление молекулярной биологии и биоинженерии, в задачи которого входят целенаправленное изменение структуры природных белков и получение новых белков с заданными свойствами. Белковая инженерия возникла в начале 1980-х годов, когда были разработаны методы генетической инженерии, позволившие получать различные природные белки с помощью бактерий или дрожжей, а также определённым образом изменять структуру генов и, соответственно, аминокислотную последовательность (первичную структуру) кодируемых ими белков. Исходя из принципов организации белковых молекул, взаимосвязи структуры и функции белков, белковая инженерия создаёт научно обоснованную технологию направленного изменения их структуры. С помощью белковой инженерии удаётся повышать термостабильность белков, их устойчивость к денатурирующим воздействиям, органическим растворителям, изменять лигандсвязывающие свойства. Белковая инженерия позволяет путём замены аминокислот улучшать работу ферментов и их специфичность, изменять оптимальные значения pH, при которых работает фермент, исключать нежелательные побочные активности, устранять участки молекул, ингибирующие ферментативные реакции, повышать эффективность белковых лекарственных препаратов и так далее. Например, замена лишь одного остатка треонина на остаток аланина или пролина позволила в 50 раз повысить активность фермента тирозилтРНК-синтетазы, а благодаря замене 8 аминокислотных остатков так называемая термолизин-подобная протеаза из Bacillus stearothermophilus приобрела способность сохранять активность при 120 °С в течение нескольких часов. К белковой инженерии можно отнести также работы по направленному изменению свойств белков с помощью химических модификаций, например введение фотоактивируемых соединений, изменяющих свойства молекулы под действием света, соединений-меток, позволяющих отслеживать пути перемещения белка в клетке или направлять его к различным компонентам клетки, и тому подобное. Такие работы проводятся преимущественно на рекомбинантных белках, получаемых с помощью генно-инженерных методов.

В белковой инженерии можно выделить два направления: рациональный дизайн и направленная молекулярная эволюция белков. Первое подразумевает использование информации о структурно-функциональных отношениях в белках, получаемой с помощью физико-химических и биологических методов, а также компьютерного молекулярного моделирования, для того чтобы определить, какие именно изменения в первичной структуре должны привести к желаемому результату. Так, для повышения термостабильности белка необходимо определить его пространственную структуру, выявить «слабые» участки (например, аминокислоты, недостаточно сильно связанные со своим окружением), подобрать для них наилучшие варианты замен на другие аминокислоты с помощью молекулярного моделирования и оптимизации энергетических параметров молекулы; после этого подвергнуть мутации соответствующий ген, а затем получить и исследовать мутантный белок. Если этот белок не удовлетворяет заданным параметрам, проводят новый анализ и повторяют описанный цикл. Такой подход наиболее часто используется в случае конструирования искусственных белков (белков de novo) с заданными свойствами, когда на входе имеется новая аминокислотная последовательность, в основном или полностью заданная человеком, а на выходе - белковая молекула с желаемыми характеристиками. Пока, однако, таким образом удаётся получать только небольшие белки de novo с несложной пространственной структурой и вводить в них простые функциональные активности, например металлсвязывающие участки или короткие пептидные фрагменты, несущие какие-либо биологические функции.

При направленной молекулярной эволюции белков с помощью генно-инженерных методов получают большой набор различных мутантных генов целевого белка, которые затем экспрессируют специальным образом, в частности на поверхности фагов («фаговый дисплей») или в бактериальных клетках, с тем, чтобы сделать возможным отбор мутантов с лучшими характеристиками. С этой целью, например, гены нужного белка или его частей встраиваются в геном фага - в состав гена, кодирующего белок, расположенный на поверхности фаговой частицы. При этом каждый индивидуальный фаг несёт свой мутантный белок, обладающий определёнными свойствами, по которым делается отбор. Мутантные гены получают путём «перемешивания» набора генов сходных природных белков различных организмов, как правило, с помощью метода полимеразной цепной реакции, так что каждый получаемый мутантный белок может включать в себя фрагменты многих «родительских» белков. По сути, этот подход имитирует природную эволюцию белков, но только существенно более быстрыми темпами. Основная задача белкового инженера в данном случае заключается в разработке эффективной селектирующей системы, которая позволит отбирать лучшие мутантные варианты белков с нужными параметрами. В случае вышеупомянутой задачи — повысить термостабильность белка - отбор можно вести, например, путём выращивания клеток, содержащих мутантные гены, при повышенной температуре (при условии, что присутствие в клетке мутантного белка увеличивает её термическую устойчивость).

Оба названных направления белковой инженерии имеют одну цель и дополняют друг друга. Так, исследование получаемых с помощью методов молекулярной эволюции мутантных вариантов белков позволяет лучше понять структурно-функциональную организацию белковых молекул и использовать полученные знания для целенаправленного рационального дизайна новых белков. Дальнейшее развитие белковой инженерии даёт возможность решать многие практические задачи по улучшению природных и получению новых белков для нужд медицины, сельского хозяйства, биотехнологии. В будущем возможно создание белков, обладающих функциями, неизвестными в живой природе.

Лит.: Brannigan J.А., Wilkinson А.J. Protein engineering 20 years on // Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 2002. Vol. 3. № 12; Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. М., 2004. Т. 1: Генная и белковая инженерия.