Conferencia sobre el auge de la ingeniería de proteínas
Objetivos de enseñanza
1. Objetivos de enseñanza
1 Dar ejemplos de las razones del auge de los proyectos de proteínas.
2. Describir brevemente los principios de la ingeniería de proteínas.
3. Intenta utilizar el pensamiento inverso para analizar y resolver problemas.
2. Enfoque docente y dificultades
1. Enfoque docente
(1) ¿Por qué deberíamos investigar en proyectos proteicos?
(2) Principios de ingeniería de proteínas.
2. Dificultades en la enseñanza
Principios de ingeniería de proteínas.
3. Estrategias de enseñanza
1. Se recomienda adoptar el modelo de enseñanza de “preguntas-exploración-nuevas preguntas-exploración adicional”.
Esta parte es la extensión y desarrollo de la ingeniería genética. Como el proyecto de proteínas acaba de comenzar, hay muy poco contenido de aprendizaje. ¿Cómo enriquecer el aprendizaje y permitir que los estudiantes realicen el principio del aprendizaje permanente? Se recomienda adoptar el modelo de enseñanza de "pregunta-exploración-nueva pregunta-reexploración".
Al comienzo de una nueva lección, se puede guiar a los estudiantes para que recuerden el conocimiento original: si los rasgos de un organismo se van a expresar en otro organismo, se puede lograr mediante la hibridación convencional dentro de la especie. pero a través de la reproducción el aislamiento no es suficiente para permitir el intercambio genético entre especies. El nacimiento de la ingeniería genética ha traído nuevas esperanzas para superar el obstáculo de la hibridación a distancia. Como resultado, se han logrado resultados fructíferos: E. coli produce insulina para el hombre, los biorreactores de la glándula mamaria bovina producen fármacos proteicos para el hombre, las plantas de tabaco contienen algunas proteínas farmacéuticas... Hasta ahora, la gente sólo se ha dado cuenta de los genes existentes en el mundo genéticamente. expresión de organismos modificados. Sin embargo, surge un nuevo problema. Las proteínas naturales producidas por los organismos se forman durante un proceso de evolución a largo plazo y su estructura y rendimiento no pueden satisfacer plenamente las necesidades de la producción y la vida humana. Para profundizar su comprensión de este punto, se puede movilizar a los estudiantes para que busquen ejemplos en libros (ejemplos de interferón y enzimas industriales) que lo demuestren. Por tanto, existe la necesidad de modificar las proteínas existentes y crear proteínas que actualmente no se encuentran en las proteínas naturales. De esta manera, la gente inició una nueva ronda de exploración y surgió la ingeniería de proteínas.
2. Se recomienda fortalecer la conexión con el conocimiento existente y utilizar el pensamiento inverso para resolver nuevos problemas.
Los estudiantes aprendieron el dogma central y la compleja estructura espacial de las proteínas en los cursos obligatorios. El Dogma Central nos dice que el flujo de información genética es como se muestra en la Figura 1-4.
Figura 1-4 Flujo de información genética
Esta es la base para aprender nuevos conocimientos. Dado que la función de una proteína está determinada por el ADN, es necesario modificar el ADN para crear nuevas proteínas. Así pues, el principio del proyecto de las proteínas debería ser el inverso del principio central. Esto se puede explicar muy claramente con las ilustraciones del libro de texto.
Hay dos sugerencias didácticas que es necesario explicar. En primer lugar, el nacimiento de la ingeniería de proteínas está respaldado por sus condiciones teóricas y técnicas. Como se mencionó al principio del libro de texto, nació con el rápido desarrollo de la biología molecular, la cristalografía y la tecnología informática, y también está relacionado con el desarrollo de factores como la genómica, la proteómica y la bioinformática ("Dinámica de fronteras" en este libro "Breve introducción). En segundo lugar, explique la situación actual de los proyectos de proteínas: no hay muchos ejemplos exitosos, principalmente porque las proteínas dependen de la estructura espacial correcta para realizar sus funciones. En la actualidad, los científicos saben muy poco sobre la estructura espacial de la mayoría de las proteínas. Aprender de esta manera puede hacer que los estudiantes se den cuenta de que el camino hacia la exploración científica es largo, arduo e interminable.
Cuatro. Respuestas y consejos
(1) Pensamiento y exploración
1. ¿A qué tipo de demanda debería llegar el proyecto de proteínas?
Consejos (para referencia docente de los profesores): El auge de la ingeniería de proteínas se debe principalmente a las necesidades de la producción industrial y la investigación teórica básica. El análisis de la biología estructural de las estructuras tridimensionales precisas y las funciones biológicas complejas de una gran cantidad de moléculas de proteínas proporciona un modelo para el diseño y modificación de proteínas naturales. La tecnología de manipulación genética con mutación dirigida al sitio como núcleo de la genética molecular proporciona un medio para la ingeniería de proteínas.
Entre las miles de enzimas que se han estudiado, sólo unas pocas pueden usarse en la producción industrial, y la gran mayoría no pueden usarse en la producción industrial. Aunque estas enzimas son activas en la naturaleza, en la producción industrial son inactivas o tienen muy baja actividad. Esto se debe a que a menudo existen ácidos, álcalis o disolventes orgánicos en cada paso del sistema de reacción en la producción industrial y la temperatura de reacción es alta. En tales condiciones, la mayoría de las enzimas se desnaturalizan e inactivan rápidamente. Mejorar la estabilidad de las proteínas es una cuestión muy importante en la producción industrial.
En términos generales, mejorar la estabilidad de las proteínas incluye extender la vida media de las enzimas, mejorar la estabilidad térmica de las enzimas, extender la vida útil de las proteínas medicinales y resistir la pérdida de actividad causada por la oxidación de aminoácidos importantes.
Los siguientes ejemplos ilustran cómo mejorar la actividad específica y la estabilidad del interferón beta recombinante mediante ingeniería de proteínas. El interferón es un fármaco antiviral y antitumoral. El ADNc del interferón humano se expresa en Escherichia coli. La actividad antiviral del interferón es de 106 U/mg, que es sólo una décima parte del producto natural. Aunque en E. coli se sintetiza una gran cantidad de interferón beta, la mayor parte existe en forma de dímeros inactivos. ¿Por qué sucede esto? ¿Cómo cambiar esta situación? Se encontraron tres cisteínas (posiciones 17, 31 y 141) en la proteína interferón beta. Se especula que una o varias cisteínas pueden formar enlaces disulfuro incorrectos. Los investigadores cambiaron la cisteína en la posición 17 a serina mediante una mutación dirigida al sitio del gen. Como resultado, la actividad antienfermedad del interferón beta producido en E. coli aumentó a 108 U/mg y la estabilidad de almacenamiento es mucho. superior al del interferón beta natural.
En la investigación teórica básica, el Proyecto Proteína es un medio nuevo y poderoso para estudiar una serie de cuestiones básicas de biología molecular, como la estructura y función de las proteínas, el plegamiento de las proteínas y el diseño molecular de las proteínas. A través del estudio de la ingeniería de proteínas, se puede revelar profundamente la esencia de los fenómenos de la vida y las leyes de las actividades de la vida.
2. ¿Cuál es la diferencia entre los procedimientos de ingeniería de proteínas y las ideas básicas de la ingeniería genética?
Respuesta: La ingeniería genética sigue el principio central, produciendo funciones a partir del plegamiento del ADN→ARNm→proteínas, básicamente produciendo proteínas que ya existen en la naturaleza. El plan de proteínas procede de la siguiente manera: determinar la función de la proteína → la estructura de orden superior que debe tener la proteína → el estado plegado que debe tener la proteína → la secuencia de aminoácidos que debe tener → la disposición de bases que debe tener, por lo tanto creando proteínas que no existen en la naturaleza.
3. ¿Entiendes la ingeniería enzimática? La mayoría de las enzimas provienen de proteínas. ¿Cuál es la diferencia entre ingeniería enzimática e ingeniería de proteínas?
Consejos: La ingeniería enzimática se refiere a una ciencia y tecnología que aplica la función biocatalítica de las enzimas a la producción, la vida, el diagnóstico médico y la protección ambiental a través de medios de ingeniería. En términos generales, la ingeniería enzimática incluye dos aspectos: la producción y aplicación de preparados enzimáticos. La aplicación de la ingeniería enzimática se concentra principalmente en la industria alimentaria, la industria ligera y la industria farmacéutica. La alfa-amilasa, la glucoamilasa y la glucosa isomerasa pueden actuar continuamente sobre el almidón para producir jarabe con alto contenido de fructosa en lugar de sacarosa. Las proteasas se utilizan en las industrias de detergentes y pegamentos depilatorios para cuero; las enzimas inmovilizadas también pueden tratar ciertas fallas funcionales causadas por deficiencias congénitas de enzimas o defectos orgánicos. En cuanto al detergente en polvo con enzimas añadidas y al ablandador de carne que vemos en nuestra vida diaria, son la manifestación más directa de la ingeniería enzimática. La llamada ingeniería enzimática consiste en utilizar bacterias de ingeniería para producir preparaciones de enzimas. No existe ningún paso para diseñar la estructura molecular de la enzima en función de su función y luego determinar la secuencia de bases del gen correspondiente en función de la estructura molecular de la misma. enzima. Por lo tanto, el objetivo de la ingeniería enzimática es aprovechar al máximo de forma racional las enzimas existentes, mientras que el objetivo de la ingeniería de proteínas es transformar las moléculas de proteínas existentes. Por supuesto, con el desarrollo de la ingeniería de proteínas, sus resultados también se aplicarán a la ingeniería de enzimas, haciendo que la ingeniería de enzimas forme parte de la ingeniería de proteínas.
(2) Preguntas de discusión en el texto
La secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica es:... - alanina - triptófano - lisina - metionina - Fenilalanina...
Discusión: (1) ¿Cómo obtener la secuencia de desoxinucleótidos que determina esta cadena peptídica? Por favor escriba la secuencia de bases correspondiente.
(2) Una vez determinada la secuencia de bases del gen diana, ¿cómo sintetizar o modificar el gen diana (ADN)?
Respuesta: (1) Cada aminoácido tiene un codón triplete correspondiente. Siempre que busque la tabla de códigos genéticos, podrá encontrar la secuencia codificante de la secuencia de aminoácidos anterior. Sin embargo, dado que varios aminoácidos en la secuencia de aminoácidos mencionada anteriormente están codificados por múltiples tripletes, la disposición y combinación de las bases son relativamente complejas y se pueden hacer al menos 16 tipos de disposiciones. Por lo tanto, los estudiantes pueden organizarse según sus conocimientos. de permutación y combinación que han aprendido. Primero, necesitamos deducir la secuencia de ARNm como GCU (o C o A o G) UGGAAA (o G) AUGUUU (o C) según los codones tripletes, y luego deducir la secuencia de desoxinucleótidos como CGA (o CGA) según los ley del apareamiento de bases complementarias G o T o C) ACCTTT (o C) TACAAA (o G).
(2) Una vez determinada la secuencia de bases del gen diana, se puede modificar según las necesidades humanas y se puede obtener mediante métodos sintéticos o de bancos de genes.
③Caprichoso
¿Se pueden diseñar genes correspondientes en función de la estructura de las proteínas que necesitan los humanos e introducirlos en bacterias adecuadas, de modo que las bacterias puedan producir el alimento proteico que necesitan los humanos?
Consejo: Teóricamente es posible, pero todavía no hay ejemplos reales de éxito. Hay informes de que el uso de bacterias para producir proteínas que los humanos necesitan a menudo son proteínas que ya existen en la naturaleza, en lugar de proteínas diseñadas completamente artificialmente que no existen en la naturaleza. La razón principal es que la estructura de alto nivel de las proteínas es muy compleja y los humanos saben muy poco sobre la estructura de alto nivel de las proteínas y cómo realizan sus funciones en los organismos. Es difícil diseñar una nueva proteína con funciones vitales y también es preocupante el daño que traerá una nueva proteína.
(4) Preguntas de reflexión de la barra lateral
1. ¿Conoces el Proyecto Proteoma Humano? ¿Qué tiene que ver con el proyecto de proteínas? ¿Qué tareas han emprendido los científicos chinos?
La propuesta del Proyecto Proteoma Humano es una propuesta científica importante en el campo de las ciencias de la vida e incluso de las ciencias naturales después del Proyecto Genoma Humano. En 2001, se creó el Grupo Internacional de Proteína Humana. Después de eso, la organización propuso formalmente lanzar dos importantes acciones de cooperación internacional: una es el "Proyecto Proteoma del Hígado Humano" dirigido por científicos chinos y la otra es el "Proyecto Proteoma del Plasma Humano" dirigido por científicos estadounidenses, dando inicio al Proyecto Proteoma Humano; cortina.
El "Proyecto de proteoma del hígado humano" es el primer proyecto de proteoma de tejido/órgano humano del mundo, dirigido por el académico He Fuchu de mi país. Este es el primer gran proyecto internacional de cooperación en investigación científica dirigido por científicos chinos. Su sede está en Beijing y más de 80 laboratorios de 16 países y regiones se han inscrito para participar. Su objetivo científico es revelar y confirmar las proteínas del hígado y proporcionar una base científica importante para avances en la prevención, el diagnóstico y el tratamiento de las principales enfermedades hepáticas, así como el desarrollo de nuevos fármacos.
La investigación en profundidad sobre el Proyecto Proteoma Humano proporcionará una poderosa motivación y apoyo teórico para el Proyecto Proteína.
2. ¿Crees que la transformación de las proteínas naturales debería lograrse manipulando directamente las moléculas de proteínas o manipulando los genes?
Respuesta: No hay duda de que la conversión de proteínas naturales debe conseguirse mediante la manipulación de genes. Las principales razones son las siguientes:
(1) Cualquier proteína natural está codificada por genes. Si se modifica el gen, la proteína se modifica y la proteína modificada puede transmitirse. Si la proteína se transforma directamente, incluso si la transformación tiene éxito, la molécula de proteína transformada no se puede heredar.
(2) Modificar genes es más fácil y menos difícil que modificar directamente proteínas.