راهی برای مهندسی بهتر پروتئین ها
14 اوت 2015- دانشمندان موسسات تحقیقاتی Scrippsو Rockefellerبرای درمان چاقی، روش مناسبی یافتند. برخی پروتئین هادر جریان خون،نیمه عمری بسیار کوتاه و گذرا دارند به همین دلیل نمی توان از آنها به طور موثر برای درمان استفاده کرد، با این حال وارد کردن آنها درون پروتئین های بزرگتری مانند آنتی بادیها می تواند نیمه عمر و بقاء آنها را در خون طولانی تر کند.
درحال حاضر گروهی از دانشمندان به رهبری موسسه ی تحقیقاتی اسکریپس، به این منظور روشی را برای مهندسی این پروتئین ها ابداع کردند.
در این روش جدید از تکامل تقلید شده است، محققان با مهندسی، میلیون ها قطعه را برای اتصال پروتئین مورد نظرشان به آنتی بادی میزبان آزمایش کردند و درنهایت تعداد بسیار نادری از این قطعات را که به پروتئین اجازه می دهد به حالت طبیعی، تاخوردگی یافته و عملکرد طبیعی خود را حفظ کند، انتخاب نمودند. این تکنیک مراحل تولید و شناسایی داروها و ترکیباتی که امکان استفاده ی دارویی دارند را تسریع می کند، که از آن جمله می توان به درمانهای قدرتمند هورمونی اشاره کرد.
محقق ارشد این پژوهش، پرفسور Lernerمی گوید: بر خلاف روشهای قبلی برای حل این مشکل، روش ما بسیار انتخابی است و توانایی بالایی برای تولید پروتئین هایی با نیمه عمر بالا دارد. این تکنیک دارای کاربردهای عملی و کلینیکی بسیاری است ،از جمله کاربردهای آن : بررسی علت تا خوردن اختصاصی هر پروتئین و جاسازی ابزاری درون آن برای بررسی تاخوردگی صحیح پروتئین است.
افزایش طول عمر لپتین
محققان در آزمایشگاه دکتر Lernerبا استفاده از این تکنیک جدید، میلیاردها آنتی بادی مختلف را تولید کرده و این کتابخانه ی بزرگ آنتی بادی را برای یافتن یک عملکرد خاص، غربالگری کردند. نتایج این تحقیق درمجله ی Chemistry & Biologyمنتشر گردید.
محققان کد ژنتیکی یک آنتی بادی استاندارد انسانی را ویرایش کرده و یکی از عواملی را که معمولاً به ویروس متصل می شود با قطعه ای که بطور اختصاصی به پروتئین لپتین متصل می شود، جایگزین نمودند. لپتین یا هورمون سیری، پروتئینی است که درسال 1994 توسط Friedmanبرای اولین بار کشف شد، این پروتئین گرسنگی را مهار می کند. درابتدا استفاده از لپتین برای درمان چاقی با شکست روبرو شد زیرا در افراد چاق علیرغم وجود مقدار کافی لپیتن، حساسیت به این پروتئین از بین رفته بود. با این حال این هورمون در سالهای اخیر توجه زیادی را برای درمان چاقی و دیابت به خود جلب کرده است. دانشمندان در تحقیقات خود از لپتین همراه با عواملی که حساسیت به آنرا افزایش می دهد برای مقابله با چاقی و دیابت استفاده کردند.
لپتین به خودی خود و بدون تغییر ساختار واقعیش برای درمان مناسب نیست زیرا طول عمر آن درجریان خون بسیار کوتاه است و توسط کلیه ها و سایر ارگانها بسرعت از بدن حذف می شود. اما چنانچه این پروتئین را وارد ساختمان پروتئین بزرگتری مانند یک آنتی بادی نماییم، ممکن است طول عمر آن افزایش یابد.
چالش اصلی محققان در این تحقیق، وارد کردن لپتین درون یکی آنتی بادی بنحوی بود که علیرغم اتصال به آن، بطور صحیح تاخوردگی یافته و عملکرد طبیعی خود را از دست ندهد.
طراحی یک قطعه ی ساده و کاملاً انعطاف پذیر که بتواند لپتین را به یک آنتی بادی متصل کند، کار تحقیقاتی مقاله ی اخیر( www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25605877) بود که توسط محققان موسسه ی اسکریپس انجام گردید.
گروه دکتر Lernerنتیجه گیری نمودند که طراحی انتخابی این قطعات می تواند به یک رویکرد عمومی برای قراردادن یک پروتئین درون یک پروتئین دیگر تبدیل شود. دانشمندان با استفاده از این تکنیک جدید توانستند کتابخانه ی بزرگی از آنتی بادیهای مختلف را بررسی کرده و نزدیک به 30 میلیون نسخه از پروتئین آنتی بادی حاوی لپتین را بسازند که هر یک دارای توالی آمینواسیدی مختلفی در قطعه ی اتصالی خود بودند.
برای یافتن نسخه های نادری که به لپتین اجازه ی فولدینگ وعملکرد صحیح را می دهد، محققان از یک سیستم انتخابی استفاده کردند. آنها پیش از این، چنین سیستمی را برای یافتن آنتی بادیهای درمانی در کتابخانه ی بزرگ آنتی بادیها ابداع نموده بودند.
ابتدا دانشمندان از یک وکتورهای ویروسی برای داخل نمودن لپتین در DNAآنتی بادی درون سلولهای آزمایشی که حاوی گیرنده های لپتین بودند، استفاده کردند. یکی از پروتئینهای آنتی بادی حاوی لپتین، توانست گیرنده های لپتین را در سلول آزمایشی خود فعال کند این فعال سازی توسط مجموعه ای از پروبهای فلورسانس بسیار حساس، آشکار گردید.
سلولهایی که سیگنالهای نوری آنها بالاتر از آستانه ی خاصی، روشن شده بود برای DNAآنتی بادی متصل به لپتین، آنالیز شدند. سپس دانشمندان DNAآن را به درون سلولهای آزمایشی جدیدی وارد کردند و در هر مرحله این کار را تکرار نمودند تا با یک فرآیند تخصصی به یک پروتئین آنتی بادی حاوی لپیتن رسیدند که بهترین فعال کننده ی گیرنده ی لپیتن بود.
این پروتئین انتخابی چندین بار از لپیتن طبیعی در فعال کردن گیرنده های لپتین درسلولهای محیط کشت پرقدرت تر بود. در آزمایشهایی که در آزمایشگاه دکتر فریدمن انجام شد، نیمه عمر این پروتئین درجریان خون موش بیش از 4 ساعت گزارش شد که یک بهبود چشمگیر نسبت به نیمه عمر پروتئین لپتین طبیعی بود.
مانند اغلب آنتی بادیها، پروتئین آنتی بادی حاوی لپتین نمی تواند از جریان خون وارد مغز شود و بنابراین نمی تواند همه ی اهداف عصبی لپتین را تحریک کند. بنابراین تأثیرات آن در کاهش خوردن غذا و کاهش وزن موش کمتر از لپتین طبیعی است، اما می توان با اصلاحاتی آنتی بادی را طوری تغییر داد که بتواند از سد خونی مغز به راحتی عبور کند، دانشمندان درحال حاضر بروی این اصلاحات در حال تحقیق هستند.
کاربردهای گسترده ی این روش
برای برجسته کردن کاربردهای این روش جدید، محققان از این روش برای طراحی اختصاصی یک آنتی بادی که بتواند به هورمون رشد و هورمون باروری FSHمتصل شود، استفاده کردند. نتایج تولید آنتی بادی حاوی FSHنشان داد تأثیر این پروتئین بر فعال ساختن گیرنده های FSHمانند هورمون طبیعی است. دانشمندان تلاشند تا آنتی بادیهای حاوی لپتین و FSHرا بهبود دهند، همچنین بروی طراحی آنتی بادیهای حاوی پروتئین هایی کاملاً جدید، در حال تحقیق هستند.