سلول‌ها به عنوان چاپگر سه بعدی: راهبردی برای سنتز پروتئین‌های مصنوعی

پروتئین ها بدون شک جذاب‌ترین مولکول‌های زیستی هستند و بسیاری از عملکردهایی را که از نظر ما، زندگی را از ماده بی جان جدا می کنند، توسط پروتئین‌ها انجام می‌شود. مجموعه‌های پروتئینی چند مولکولی حتی دارای عملکردهای ساختاری در مقیاس بزرگ هستند، که توسط پرها، موها و فلس در حیوانات مشهود‌اند.

 جای تعجب نیست که با پیشرفت در فناوری نانو و مهندسی زیستی، مجموعه‌های پروتئین مصنوعی در زمینه‌های مختلف از جمله تجزیه و تحلیل، ذخیره‌سازی مولکولی و سیستم‌های انتقال دارو کاربردهایی وسیعی پیدا کرده اند.

با این حال، تولید مجموعه‌های پروتئینی سفارشی همچنان چالش برانگیز است. به خصوص دشوار است که مونومرها، عناصر سازنده پروتئین ها، به طور پایدار در ساختارهای مورد نظر جمع شوند. این امر معمولاً به طراحی و کنترل دقیق شرایط سنتز، مانند pH (اسیدیته) و دما نیاز دارد.

مطالعات اخیر روش‌هایی را برای دور زدن این مشکل با استفاده از بلورهای پروتئینی، آرایش‌های مولکولی جامد که به طور طبیعی در برخی موجودات وجود دارد، به عنوان ماتریس‌های پیش ساز برای تولید مجموعه‌های پروتئینی ارائه کرده است.

در موسسه فناوری توکیو در ژاپن، تیمی از دانشمندان به سرپرستی پروفسور تاکافومی اونو روی یک روش امیدوار‌کننده برای سنتز مجموعه‌های از بلورهای پروتئینی کار کرده اند. راهبرد آنها شامل وارد کردن جهش در کد ژنتیکی اورگانیسم است که به طور طبیعی بلورهای پروتئین تولید می کند. این جهش‌ها باعث ایجاد پیوندهای دی سولفید (S-S) بین مونومرها در مکان های بسیار مشخص در بلورها می شود. سپس بلورها حل می شوند، اما پیوندهای S-S تازه وارد شده به‌جای تجزیه کامل به مونومرهای جداگانه خود، گروه‌هایی از مونومرها را که کنار هم نگه داشته شده‌اند، تشکیل می‌دهند. با استفاده از این روش، تیم تاکافومی اونو موفق شده است قفس‌های پروتئینی و لوله‌ها‌یی را با استفاده از سلول‌های زنده سنتز کند. در واقع سلول‌های زنده به عنوان چاپگرهای نانو سه بعدی در این پروژه استفاده می‌شوند.

در آخرین مطالعه خود، که در نتایج آن در نشریه Angewandte Chemie منتشر شده است، این تیم کاربرد دیگری از راهبرد جدید خود را نشان داد. این بار از این راهبرد برای سنتز رشته های پروتئینی استفاده شده است. آنها از کشت سلول‌های حشرات (Spodoptera frugiperda) آلوده به ویروسی که باعث بیان بیش از حد مونومری بنام "TbCatB" شد، استفاده کردند. این مونومرها به طور طبیعی درون سلول ها به بلورهای پروتئینی تجمع می یابند، که در آنجا با فعل و انفعالات غیر کووالانسی نسبتاً ضعیف بین مونومرها در کنار هم نگه داشته می شوند. دانشمندان از نظر راهبردی دو جهش در سلول‌ها ایجاد کردند به طوری که هر مونومر دارای دو گروه تیول (-SH) سیستئین در نقاط حیاتی رابط با مونومرهای دیگر بود.