Sản xuất các protein tái tổ hợp

Sản xuất các protein tái tổ hợp Nuôi cấy tế bào thực vật đã được sử dụng để sản xuất các sản phẩm tự nhiên cách đây hơn 20 năm và gần đây hơn chúng được dùng để sản xuất các protein tái tổ hợp. Protein tái tổ hợp (protein ngoại lai) là protein tự nhiên được sửa đổi bằng công nghệ gen nhằm nâng cao hoặc thay đổi hoạt tính của chúng. Tương tự như các tế bào vi sinh vật, các tế bào thực vật rất thích hợp cho các nguyên liệu tái tổ hợp do chúng có thể sinh trưởng trên môi trường tương đối đơn giản không cần bổ sung protein, nhưng do chúng là các sinh vật eukaryote bậc cao nên có thể tiến hành các biến đổi hậu dịch mã như trong tế bào của người. Nếu protein ngoại lai được sản xuất trong nuôi cấy tế bào và được tiết ra trong môi trường, nhiều hơn phần được tích lũy trong tế bào, thì việc thu hồi và tinh sạch sản phẩm có thể được tiến hành mà không có nhiều protein nhiễm bẩn. Các protein có nguồn gốc thực vật an toàn cho người hơn các protein có nguồn gốc từ tế bào động vật bởi vì các chất nhiễm bẩn và virus thực vật không phải là tác nhân gây bệnh ở người. Ngoài ra, nuôi cấy tế bào thực vật cũng là một công cụ thực nghiệm thuận lợi cho việc khảo sát sự sản xuất protein ngoại lai trong cây hoàn chỉnh (whole plants). Thực vật chuyển gen hiện nay được xem là hệ thống sản xuất rất kinh tế cho việc sản xuất các protein ngoại lai như kháng thể, enzyme và hormone. Sản xuất thương mại một số protein của vi khuẩn và động vật đã được tiến hành bằng thực vật. Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của sản xuất protein dựa trên cơ sở thực vật là hiệu suất của protein ngoại lai hoặc nồng độ của sản phẩm được tích lũy trong sinh khối. Theo đó, người ta đã chú ý cải thiện sự biểu hiện gen ngoại lai trong cây chuyển gen thông qua việc phát triển các promoter tốt hơn, chọn lọc các dòng chuyển gen ổn định, và ức chế gen im lặng (silence gene). Tuy nhiên, một yếu tố quan trọng là sự đứt gãy protein ngoại lai đã làm giảm nồng độ của sản phẩm chức năng trong mô thực vật sau khi các phân tử được tổng hợp và lắp ráp. Sự đứt gãy protein ngoại lai đã làm bẩn sản phẩm với các đoạn protein mất hoạt tính, và người ta cũng gặp khó khăn khi loại bỏ các protein đứt gãy này trong các hoạt động thu hồi protein chức năng ở sản xuất quy mô lớn. Tìm hiểu chi tiết về vị trí và cơ chế của sự đứt gãy ở nội và ngoại bào là rất cần thiết để có thể phát triển phương pháp sao cho giảm thiểu được sự tổn thất protein ở hậu sau dịch mã. 1. GM-CSF người GM-CSF người (human granulocyte macrophage-colony stimulate factor), là một trong bốn glycoprotein đặc biệt kích thích quần lạc đại thực bào của tế bào bạch cầu hạt tổ tiên sản sinh ra các bạch cầu hạt, đại thực khuẩn và hai loại tế bào máu trắng quan trọng. GM-CSF người được ứng dụng lâm sàng trong điều trị bệnh giảm bạch cầu trung tính (neutropenia) và bệnh thiếu máu không tái tạo (aplastic anemia). Sử dụng GM-CSF người trong cấy ghép tủy xương đã giảm thiểu đáng kể nguy cơ nhiễm trùng do chúng kích thích tăng tổng số bạch cầu trung tính. GM-CSF người đã được biểu hiện trong nhiều cơ thể vật chủ khác nhau như: E. coli, nấm men, A. niger, tế bào động vật có vú và tế bào thực vật, và hiện nay được sản xuất để dùng trong lâm sàng. Bảng 7.3. Một số protein tái tổ hợp được sản xuất bằng nuôi cấy tế bào thực vật. Proteinđượcbiểuhiện Loàithựcvật Nhântốsinhtrưởngbiểumôngười Nicotianatabacum Hormonesinhtrưởngởngười N.tabacum Albuminhuyếtthanhngười N.tabacum,Solanumtuberosum Nhântốsinhtrưởngở cáhồi N.tabacum α-interferonngười Oryzasativa Hirudin(chốngđôngmáu) N.tabacum Erythropoietinngười N.tabacum α andβhaemoglobinngười N.tabacum Humanmuscariniccholinergicreceptors N.tabacum GM-CSFchuột N.tabacum Interleukin-2vàInterleukin-4người N.tabacum Alkalinephosphatasenhauthaingười N.tabacum α1-antitrypsinngười O.sativa HBsAg N.tabacum,Glycinemax GM-CSFngười N.tabacum,O.sativa, Lycopersicumesculentum Khángthểđơndòng(Mab)chống HBsAg N.tabacum Lysozymengười O.sativa Mabchuỗinặng N.tabacum IgG2b/κchuột N.tabacum ĐoạnkhángthểscFv N.tabacum,O.sativa ĐoạnkhángthểbiscFv N.tabacum IgG2b/κkíchthướchoànchỉnh N.tabacum Chuỗinặngγđơndòngcủachuột N.tabacum Bryodin1 N.tabacum 2. Kháng thể IgG1 của chuột Đã được sản xuất bằng cách nuôi cấy rễ tơ và tế bào dịch huyền phù của cây thuốc lá (Nicotiana tabacum) chuyển gen. Để thực hiện lắp ráp kháng thể hoàn chỉnh, từ 2 đến 4 đoạn kháng thể nhỏ đã được tích lũy trong sinh khối tế bào. Các nhân tố ức chế protease, các tác nhân ổn định protein, các nhân tố ức chế N-glycosylation và sự tiết protein, các tác nhân tái hoạt động glycan (polysaccharide) và các mẫu dò ái lực đã được sử dụng để nghiên cứu đặc điểm của các đoạn này, khảo sát các vị trí của chúng và cơ chế hình thành. Tất cả các phân tử kháng thể đã được tiết ra trong môi trường nuôi cấy. 3. Interleukin Là thuật ngữ chung cho các cytokine được bạch cầu sản xuất (lymphokine), trong đó interleukin-2 là một cytokine quan trọng nhất đối với sự phát triển và đáp ứng miễn dịch thích ứng, được sử dụng để điều trị một số bệnh viêm nhiễm virus và bệnh ung thư. Interleukin-2 (IL-2) và interleukin-4 (IL-4) của người được sản xuất và tiết ra môi trường nuôi cấy dịch huyền phù tế bào cây N. tabacum đã biến đổi di truyền. Sự tiết qua màng huyết tương và thành tế bào vào môi trường được thuận lợi nhờ trình tự leader tự nhiên của của động vật có vú. Nồng độ của IL-2 và IL-4 trong môi trường nuôi cấy tương ứng là 0,10 và 0,18µg/mL, mặc dù nồng độ của chúng ở bên trong các lymphokine là cao hơn (IL-2 khoảng 0,8 µg/mL và IL-4 khoảng 0,28 µg/mL). Phân tích Western blot10 cho thấy IL-4 được tiết ra môi trường nuôi cấy tế bào thực vật là hai chuỗi polypeptide nhỏ với trọng lượng phân tử khoảng 18- 20 kDa. Hoạt tính sinh học của IL-2 được xác định bởi sự sinh sản tế bào của dòng tế bào CTLL-2 của chuột phụ thuộc IL-2 [CT.h4S] được chuyển nhiễm ổn định bằng receptor IL-4 của người. Những khám phá này cho thấy rằng nuôi cấy dịch huyền phù tế bào thực vật có thể được sử dụng để sản xuất và tiết ra môi trường đủ loại các protein động vật có vú có hoạt tính sinh học dùng trong chẩn đoán và điều trị.