تصویر

گفتار 2

فناوری مهندسی پروتئین و بافت

مهندسی پروتئین و کاربردهای آن

مهندسی پروتئین و تغییر ویژگی‌های آن

مهندسی پروتئین به معنای ایجاد تغییرات دلخواه در توالی آمینواسیدهای یک پروتئین است. این تغییرات می‌توانند برای تغییر در ویژگی‌های پروتئین و بهبود عملکرد آن انجام شوند. به انجام چنین تغییراتی مهندسی پروتئین گفته می‌شود. اجرای این تغییرات نیازمند شناخت کامل ساختار و عملکرد پروتئین موردنظر است.

انواع تغییرات در مهندسی پروتئین:

تغییر جزئی: شامل تغییر در رمز یک یا چند آمینواسید در مقایسه با پروتئین طبیعی است.
تغییرات عمده (کلی): گسترده‌تر است و می‌تواند شامل برداشتن قسمتی از ژن یک پروتئین تا ترکیب بخش‌هایی از ژن‌های مربوط به پروتئین‌های متفاوت باشد.
نکته:
تغییر در توالی آمینواسیدها ممکن است موجب تغییر در شکل فضایی مولکول پروتئین و در نتیجه تغییر در عملکرد آن شود.
پروتئین‌های تغییر یافته از طریق مهندسی پروتئین، برای اهداف مختلف از جمله درمانی و تحقیقاتی ساخته می‌شوند.

کاربردهای مهندسی پروتئین

تغییرات و اصلاحات انجام‌شده بر روی پروتئین‌ها می‌تواند ویژگی‌های آن‌ها را بهبود ببخشد. برخی از مهم‌ترین اصلاحات مهندسی پروتئین عبارتند از:
افزایش پایداری پروتئین در برابر گرما و تغییر pH که در ادامه با آن بیشتر آشنا خواهید شد.
افزایش حداکثری سرعت واکنش آنزیمی
یکی از اهداف مهم مهندسی پروتئین، افزایش سرعت واکنش آنزیمی است. این تغییر موجب بهبود عملکرد آنزیم‌ها در شرایط صنعتی و زیستی می‌شود. تغییرات در ساختار آنزیم‌ها, از جمله اصلاح جایگاه فعال آن‌ها، می‌تواند باعث افزایش کارایی آن‌ها شود و فرآیندهای زیستی را تسریع کند. این اصلاحات به‌ویژه در صنعت داروسازی و تولید مواد غذایی کاربرد گسترده‌ای دارند.
افزایش تمایل آنزیم برای اتصال به پیش‌ماده
تمایل آنزیم به پیش‌ماده یک ویژگی کلیدی در بهبود عملکرد آنزیم‌ها است. مهندسی پروتئین می‌تواند جایگاه فعال آنزیم را تغییر دهد تا تمایل آن برای اتصال به پیش‌ماده افزایش یابد. این تغییرات موجب می‌شود که واکنش‌های زیستی با کارایی بالاتری انجام شوند و تولید محصولات زیستی بهینه‌تر گردد.

افزایش پایداری پروتئین‌ها

یکی از مهم‌ترین مزایای مهندسی پروتئین، افزایش پایداری آن‌ها در برابر گرما است. در دماهای بالاتر، سرعت واکنش بیشتر می‌شود، خطر آلودگی میکروبی کاهش می‌یابد و نیازی به خنک کردن محیط واکنش، به‌خصوص در مورد واکنش‌های گرمازا نخواهد بود.
علاوه بر این، پایداری در برابر تغییرات pH موجب حفظ عملکرد آنزیم در محیط‌های اسیدی و بازی مختلف می‌شود. در صنایع شوینده نیز، استفاده از آنزیم‌های مقاوم به گرما و تغییرات pH موجب افزایش عملکرد و دوام محصولات شده است.
در ادامه، مثال‌هایی از افزایش پایداری پروتئین‌ها ارائه می‌دهیم.

۱. آمیلازها

آمیلازها از آنزیم‌های پرکاربرد در صنعت هستند که مولکول‌های نشاسته را به قطعات کوچک‌تر تجزیه می‌کنند. این آنزیم‌ها در صنایعی مانند صنایع غذایی، نساجی و تولید شوینده‌ها استفاده می‌شوند. بسیاری از مراحل تولید صنعتی در دماهای بالا انجام می‌شود، بنابراین استفاده از آمیلازهای مقاوم به گرما ضروری است.
مزایای آمیلازهای مقاوم به گرما:
کاهش زمان واکنش‌های صنعتی
کاهش هزینه‌های اقتصادی و افزایش بهره‌وری تولید
فناوری‌های زیستی امروزی، امکان مهندسی و تولید آنزیم‌های مقاوم به شرایط سخت مانند گرما را فراهم کرده‌اند.در طبیعت نیز باکتری‌های گرمادوست که در چشمه‌های آب گرم زندگی می‌کنند، دارای آمیلازهای پایدار در برابر گرما هستند.

2. اینترفرون

اینترفرون یکی از پروتئین‌های دستگاه ایمنی است که نقش مهمی در مقابله با عفونت‌های ویروسی دارد. اینترفرون تولیدشده به روش مهندسی ژنتیک، فعالیت کمتری نسبت به اینترفرون طبیعی دارد. علت این کاهش، ایجاد پیوندهای نادرست در هنگام ساخته‌شدن آن در باکتری است که باعث تغییر در ساختار مولکولی و کاهش فعالیتش می‌شود.
به کمک فرایند مهندسی پروتئین، با یک تغییر جزئی در رمز آمینواسید اینترفرون:
توالی آن طوری تغییر می‌یابد که به جای یکی از آمینواسیدهای آن آمینواسید دیگری قرار می‌گیرد و عملکرد ضدویروسی آن به اندازه پروتئین طبیعی افزایش می‌یابد.
این تغییر، به پایداری بیشتر اینترفرون منجر شده و امکان ذخیره‌سازی بلندمدت آن را فراهم می‌کند.
افزایش پایداری اینترفرون باعث کاهش نیاز به دوزهای مکرر دارویی و افزایش اثربخشی درمانی آن در بیماری‌های ویروسی می‌شود.

3. پلاسمین

پلاسمین آنزیمی است که در بدن وظیفه تجزیه لخته‌های خونی را بر عهده دارد. پلاسمین کاربرد درمانی دارد، اما مدت اثر آن در پلاسما خیلی کوتاه است. تشکیل لخته‌های خونی در بدن برای جلوگیری از خونریزی ضروری است، اما در برخی موارد، ایجاد لخته در سرخرگ‌های شش، مغز و ماهیچه قلب می‌تواند بسیار خطرناک باشد. این وضعیت می‌تواند به بسته شدن رگ‌های ریوی، سکته مغزی یا سکته قلبی منجر شود.
جانشینی یک آمینواسید پلاسمین با آمینواسید دیگری در توالی، باعث می‌شود که مدت زمان فعالیت پلاسمایی و اثرات درمانی آن بیشتر شود.
اصلاح پلاسمین از طریق مهندسی پروتئین:
افزایش مدت‌زمان فعالیت پلاسمین در خون که موجب کاهش نیاز به تزریق‌های مکرر می‌شود.
بهبود اثربخشی پلاسمین در درمان مشکلات لخته‌های خونی و افزایش کارایی آن در بیماران قلبی و عروقی.

مهندسی بافت

پیوند و بازسازی بافت‌ها

از دست رفتن بافت به دلیل آسیب یا بیماری، مشکلات متعددی را برای فرد بیمار ایجاد کرده و هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی زیادی را بر او و خانواده‌اش تحمیل می‌کند. هزینه‌های بالای درمان، نیاز به مراقبت‌های ویژه و محدودیت‌های حرکتی یا فیزیکی ناشی از آسیب بافتی می‌تواند زندگی روزمره بیمار را دشوار کند و فشار مالی و روانی زیادی به خانواده او وارد سازد.

پیوند پوست و روش‌های جایگزین

در مواردی مانند سوختگی‌های وسیع، ممکن است نیاز به پیوند پوست وجود داشته باشد. اگر وسعت سوختگی کم باشد و اهداکننده مناسبی برای پوست در دسترس باشد، می‌توان از پوست اهداکننده استفاده کرد. اما در شرایطی که:
اهداکننده‌ای مناسب برای پوست یافت نشود،
یا به دلیل وسعت زیاد سوختگی امکان برداشت پوست از بدن بیمار وجود نداشته باشد،
بهترین راه، کشت بافت و پیوند پوست است.
نکات مهم:
در پوست، یاخته‌هایی وجود دارند که توانایی تکثیر زیاد و تمایز به انواع یاخته‌های پوست را دارند.
امروزه در مهندسی بافت از این یاخته‌ها به طور موفقیت‌آمیز استفاده می‌شود.
این یاخته‌ها در محیط کشت تکثیر شده و پس از رشد کافی، برای پیوند به بیماران مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این روش کمک می‌کند تا برای بیمارانی که به دلیل وسعت سوختگی نمی‌توانند از پوست خود برای پیوند استفاده کنند، جایگزین مناسبی فراهم شود.

کاربرد مهندسی بافت در تولید و پیوند اعضا

مهندسی بافت تنها محدود به پیوند پوست نیست و متخصصان مهندسی بافت در زمینه تولید و پیوند اعضای دیگر نیز فعالیت دارند.

مثال‌هایی از کاربردهای مهندسی بافت:

بازسازی لاله گوش و بینی: جراحان بازسازی‌کننده چهره می‌توانند به کمک روش‌های مهندسی بافت از بافت غضروف برای بازسازی این اندام‌ها استفاده کنند.
روش بازسازی غضروف: در این روش، یاخته‌های غضروفی در محیط کشت روی داربست مناسب تکثیر شده و غضروف جدید برای بازسازی اندام آسیب‌دیده تولید می‌شود.

نقش داربست در مهندسی بافت

داربست‌های زیستی به عنوان چارچوبی برای رشد و تکثیر یاخته‌های غضروفی عمل می‌کنند و به آن‌ها کمک می‌کنند تا ساختار سه‌بعدی مناسبی برای ترمیم بافت آسیب‌دیده شکل بگیرد.

مزایای استفاده از داربست در مهندسی بافت:

فراهم کردن محیطی مناسب برای رشد یاخته‌های جدید.
کمک به تشکیل ساختارهای منظم و کارآمد در بافت جدید.
افزایش موفقیت در پیوند و بازسازی اعضای آسیب‌دیده.
این روش‌ها امکان تولید اعضای جایگزین را فراهم کرده و در بسیاری از جراحی‌های ترمیمی و بازسازی اعضای بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تصویر

یاخته‌های بنیادی و مهندسی بافت

برخی یاخته‌های تمایزیافته، مانند یاخته‌های ماهیچه‌ای، در محیط کشت بسیار کم تکثیر می‌شوند یا اصلاً تکثیر نمی‌شوند. بنابراین، برای تولید بافت در مهندسی بافت، از منابعی که توانایی تکثیر بالایی دارند، مانند یاخته‌های بنیادی جنینی و یاخته‌های بنیادی بالغ استفاده می‌شود. یاخته‌های بنیادی جنینی، همان توده یاخته‌ای درونی هستند.
ویژگی‌های یاخته‌های بنیادی:
قابلیت تکثیر زیاد
توانایی تبدیل شدن به انواع متفاوت یاخته‌ها
تصویر

یاخته‌های بنیادی بالغ

یاخته‌های بنیادی بالغ در بافت‌های مختلف بدن وجود دارند و در محیط کشت قابلیت تکثیر دارند. این یاخته‌ها بسته به منشأ خود، توانایی تمایز به انواع یاخته‌های دیگر را دارند.
نمونه‌هایی از یاخته‌های بنیادی بالغ:
یاخته‌های بنیادی پوست: این یاخته‌ها قابلیت بالایی در تقسیم و تبدیل به انواع سلول‌های پوستی دارند.
یاخته‌های بنیادی کبد: این یاخته‌ها می‌توانند تکثیر شوند و به یاخته‌های کبدی یا یاخته‌های مجرای صفراوی تمایز پیدا کنند.
یاخته‌های بنیادی مغز استخوان:
دو نوع که به تولید سلول‌های خونی مانند گلبول‌های سفید و قرمز کمک می‌کند.
انواعی دیگر که توان تمایز به رگ‌های خونی، ماهیچه اسکلتی و قلبی را دارد.
این یاخته‌ها پس از برداشت از فرد بزرگ‌سال، در شرایط آزمایشگاهی رشد می‌یابند. در برخی موارد، از آن‌ها برای بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده بهره گرفته می‌شود.
تصویر

یاخته‌های بنیادی جنینی

یاخته‌های بنیادی جنینی از توده یاخته‌های درونی جنین گرفته شده و نه تنها قادر به تشکیل همه بافت‌های بدن جنین هستند، بلکه اگر در مراحل اولیه جنینی جداسازی شوند، می‌توانند یک جنین کامل را تشکیل دهند. این یاخته‌ها قدرت تمایز بالایی برای تبدیل شدن به انواع مختلف یاخته‌ها دارند. آنها از مراحل اولیه جنینی جداسازی شده و در محیط کشت تکثیر داده می‌شوند و برای تشکیل بسیاری از یاخته‌ها تحریک می‌شوند.
ویژگی‌های یاخته‌های بنیادی جنینی:
می‌توانند به انواع بافت‌های بدن تمایز یابند.
اگر در مراحل آغازین رشد جنینی جدا شوند، پتانسیل تشکیل جنین کامل را دارند.
دارای توان تقسیم سریع و پایدار در شرایط آزمایشگاهی هستند.
با وجود قدرت تمایز بالای این یاخته‌ها، محدودیت‌هایی در تنظیم فرآیند تمایز آن‌ها وجود دارد.
هنوز روش‌هایی که بتوانند همه انواع یاخته‌هایی را که در بدن جنین تولید می‌شوند، در شرایط آزمایشگاهی نیز ایجاد کنند، به‌طور کامل توسعه نیافته‌اند.
تصویر
مقایسه‌ی یاخته‌های بنیادی بالغ و جنینی
ویژگی
یاخته‌های بنیادی بالغ
یاخته‌های بنیادی جنینی
منشأ
بافت‌های مختلف بدن فرد بالغ
توده یاخته‌های درونی جنین
توانایی تکثیر در محیط کشت
قابلیت تکثیر دارند.
توان تقسیم سریع و پایدار دارند.
قدرت تمایز
بسته به منشأ، به انواع محدودی از یاخته‌ها تمایز می‌یابند.
قادر به تشکیل تمام بافت‌های بدن جنین هستند. (پتانسیل تمایز بالا)
محدودیت‌ها
کمتر مستعد تشکیل تومور، مشکلات اخلاقی و ایمنی کم‌تر، پتانسیل تمایز محدودتر
محدودیت در تنظیم فرآیند تمایز در آزمایشگاه، مسائل اخلاقی، مستعدتر به تشکیل تومور
کاربرد
بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده
پتانسیل تشکیل جنین کامل (اگر در مراحل آغازین جدا شوند)

بیوانفورماتیک