БЕЛКО́ВАЯ ИНЖЕНЕ́РИЯ

БЕЛКО́ВАЯ ИНЖЕНЕ́РИЯ, на­прав­ле­ние мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии и био­ин­же­не­рии, в за­да­чи ко­то­ро­го вхо­дят це­ле­на­прав­лен­ное из­ме­не­ние струк­ту­ры при­род­ных бел­ков и по­лу­че­ние но­вых бел­ков с за­дан­ны­ми свой­ст­ва­ми. Б. и. воз­ник­ла в нач. 1980-х гг., ко­гда бы­ли раз­ра­бо­та­ны ме­то­ды ге­не­ти­че­ской ин­же­не­рии, по­зво­лив­шие по­лу­чать разл. 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, Б. и. соз­да­ёт на­уч­но обос­но­ван­ную тех­но­ло­гию на­прав­лен­но­го из­ме­не­ния их струк­ту­ры. С по­мо­щью Б. и. уда­ёт­ся по­вы­шать тер­мо­ста­биль­ность бел­ков, их ус­той­чи­вость к де­на­ту­ри­рую­щим воз­дей­ст­ви­ям, ор­га­нич. рас­тво­ри­те­лям, из­ме­нять ли­ганд-свя­зы­ваю­щие свой­ст­ва. Б. и. по­зво­ля­ет пу­тём за­ме­ны ами­но­кис­лот улуч­шать ра­бо­ту фер­мен­тов и их спе­ци­фич­ность, из­ме­нять оп­ти­маль­ные зна­че­ния рН, при ко­то­рых ра­бо­та­ет фер­мент, ис­клю­чать не­же­ла­тель­ные по­боч­ные ак­тив­но­сти, уст­ра­нять уча­ст­ки мо­ле­кул, ин­ги­би­рую­щие фер­мен­та­тив­ные ре­ак­ции, по­вы­шать эф­фек­тив­ность бел­ко­вых ле­кар­ст­вен­ных пре­па­ра­тов и т. д. Напр., за­ме­на лишь од­но­го ос­тат­ка тре­о­ни­на на ос­та­ток ала­ни­на или про­ли­на по­зво­ли­ла в 50 раз по­вы­сить ак­тив­ность фер­мен­та ти­ро­зил-тРНК-син­те­та­зы, а бла­го­да­ря за­ме­не 8 ами­но­кис­лот­ных ос­тат­ков т. н. тер­моли­зин-по­доб­ная про­теа­за из Bacillus stea­ro­thermophilus при­об­ре­ла спо­соб­ность со­хра­нять ак­тив­ность при 120 °С в те­че­ние не­сколь­ких ча­сов. К Б. и. мож­но от­не­сти так­же ра­бо­ты по на­прав­лен­но­му из­ме­не­нию свойств бел­ков с по­мо­щью хи­мич. мо­ди­фи­ка­ций, напр. вве­де­ние фо­то­ак­ти­ви­руе­мых со­еди­не­ний, из­ме­няю­щих свой­ст­ва мо­ле­ку­лы под дей­ст­ви­ем све­та, со­еди­не­ний-ме­ток, по­зво­ляю­щих от­сле­жи­вать пу­ти пе­ре­ме­ще­ния бел­ка в клет­ке или на­прав­лять его к разл. ком­по­нен­там клет­ки, и т. п. Та­кие ра­бо­ты про­во­дят­ся пре­им. на ре­ком­би­нант­ных бел­ках, по­лу­чае­мых с по­мо­щью ген­но-ин­же­нер­ных ме­то­дов.

В Б. и. 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-хи­мич. и био­ло­гич. 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 (напр., ами­но­кис­ло­ты, не­дос­та­точ­но силь­но свя­зан­ные со сво­им ок­ру­же­ни­ем), по­доб­рать для них наи­луч­шие ва­ри­ан­ты за­мен на др. ами­но­кис­ло­ты с по­мо­щью мо­ле­ку­ляр­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния и оп­ти­ми­за­ции энер­ге­тич. 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 ис­кусств. 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, напр. ме­таллсвя­зы­ваю­щие уча­ст­ки или ко­рот­кие пеп­тид­ные фраг­мен­ты, не­су­щие к.-л. био­ло­гич. функ­ции.

При на­прав­лен­ной мо­ле­ку­ляр­ной эво­лю­ции бел­ков с по­мо­щью ген­но-ин­же­нер­ных ме­то­дов по­лу­ча­ют боль­шой на­бор разл. му­тант­ных ге­нов це­ле­во­го бел­ка, ко­то­рые за­тем экс­прес­си­ру­ют спец. 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, напр., 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 разл. ор­га­низ­мов, как пра­ви­ло, с по­мо­щью ме­то­да по­ли­ме­раз­ной цеп­ной ре­ак­ции, так что ка­ж­дый по­лу­чае­мый му­тант­ный бе­лок мо­жет вклю­чать в се­бя фраг­мен­ты мн. «ро­ди­тель­ских» бел­ков. По су­ти этот под­ход ими­ти­ру­ет при­род­ную эво­лю­цию бел­ков, но толь­ко су­ще­ст­вен­но бо­лее бы­ст­ры­ми тем­па­ми. Осн. 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, напр., пу­тём вы­ра­щи­ва­ния кле­ток, со­дер­жа­щих му­тант­ные ге­ны, при по­вы­шен­ной темп-ре (при ус­ло­вии, что при­сут­ст­вие в клет­ке му­тант­но­го бел­ка уве­ли­чи­ва­ет её тер­мич. ус­той­чи­вость).

Оба на­зван­ных на­прав­ле­ния Б. и. 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 Б. и. да­ёт воз­мож­ность ре­шать мн. прак­тич. за­да­чи по улуч­ше­нию при­род­ных и по­лу­че­нию но­вых бел­ков для нужд ме­ди­ци­ны, с. х-ва, био­тех­но­ло­гии. В бу­ду­щем воз­мож­но соз­да­ние бел­ков, об­ла­даю­щих функ­ция­ми, не­из­вест­ны­ми в жи­вой при­ро­де.