Dieses Forschungsthema ist Teil der Reihe „Heterologe Proteinexpression und Produktionsplattformen: The How, Now and Wow of It“. Den zweiten Band finden Sie hier.
Die Proteinexpression ist ein Prozess, der die Synthese, Veränderung und Regulierung von Proteinen in den Zellen lebender Organismen umfasst. Wenn diese zelluläre Maschinerie als leistungsfähiges Laborwerkzeug für die Herstellung eines Proteins der Wahl mit Hilfe der rekombinanten DNA-Technologie genutzt wird, spricht man treffend von rekombinanter Proteinproduktion.
Seit dem Aufkommen gentechnischer Werkzeuge wurden in den 1980er Jahren konzertierte Anstrengungen von Grundlagenwissenschaftlern und Anwendungsspezialisten unternommen, um Verfahren für die rekombinante Proteinproduktion zu optimieren. Mit seinen vielen Vorteilen ist Escherichia coli der bevorzugte Expressionswirt gewesen. Die schnell wachsenden gentechnisch veränderten Stämme dienen als einfach zu handhabende Wirte, die auf billigen Medien wachsen, ihr genetisches Instrumentarium ist gut definiert, und es stehen mehrere Vektoren mit regulierbaren Promotoren und Antibiotikaselektion zur Verfügung, was zu hohen Ausbeuten an rekombinanten Proteinen führt. Zu den Mängeln gehören jedoch die Bildung von Einschlusskörpern, die zu unlöslichen Proteinen führen, Probleme mit Codon Bias, unsachgemäße Proteinfaltung, das Fehlen eines Systems zur posttranslationalen Modifikation und die Anhäufung von Endotoxinen, die ein ernsthaftes Problem darstellen, wenn das rekombinante Protein für therapeutische Zwecke verwendet werden soll. Dies hat zu alternativen bakteriellen und nichtbakteriellen Wirtssystemen geführt, wie Mycobacterium, einige Bacillus-Stämme, Caulobacter crescentus, Viren, Hefen, filamentöse Pilze, Algen, Pflanzen oder Insekten- und Säugetierzellkulturen sowie zellfreie Expressionsplattformen.
Hefen wie Hansenula, Kluyveromyces, Pichia, Saccharomyces und Yarrowia werden als bevorzugte Alternativen zu Prokaryoten und höheren Eukaryoten verwendet, vor allem wegen ihres schnellen Wachstums in kostengünstigen und chemisch definierten Medien, ihrer einfachen Handhabung, ihrer Eignung für die Herstellung in großem Maßstab, ihrer leicht manipulierbaren genetischen Ausstattung (die zu einer enormen Anzahl gentechnisch veränderter Hefestämme geführt hat), ihrer Expression sowohl intrazellulärer als auch sekretorischer Proteine und ihrer Fähigkeit, posttranslationale Modifikationen durchzuführen.
Säugetiersysteme werden jedoch wegen der hohen Qualität der von ihnen produzierten Proteine, der besseren Löslichkeit der Proteine, des Einbaus posttranslationaler Modifikationen, der Sekretion von Proteinen mit hoher Ausbeute und der Effizienz bei der Herstellung großer Proteinkomplexe gegenüber Bakterien und Hefen bevorzugt. Aus diesem Grund verwenden fast alle biopharmazeutischen Unternehmen weltweit stabile Zelllinien auf Säugetierbasis für die Herstellung von Biologika. In jüngster Zeit werden auch höhere Pflanzen und Mikroalgen wie Chlamydomonas reinhardtii, Schizochytrium sp., Synechococcus und die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum für die Produktion wertvoller Proteine entwickelt. Sie lassen sich leicht skalieren (was sich auf kostengünstige Gewächshäuser auswirkt), sind weniger anfällig für Krankheitserreger und werden als billigste aller Proteinexpressionsplattformen gehandelt. Gibt es eine Überexpressionsplattform, die die Vorteile all dieser Systeme in sich vereint (insbesondere eine grüne Plattform)?
Dieses Forschungsthema ist für eine breite Kategorie von Wissenschaftlern von Interesse, wie Molekular- und Strukturbiologen, Genetiker, Biochemiker, Kliniker, Biophysiker, Spektroskopiker und Prozessingenieure, die an der Charakterisierung, dem Entwurf und der Herstellung von Proteinen arbeiten. Sie bittet daher um Originalforschungs- und Übersichtsartikel, die die Verwendung von:
Zellfreie, prokaryotische und eukaryotische Wirtsexpressionsplattformen
-Fortschrittliche technologische Entwicklungen für verbesserte Expression und Design von stabilen und transienten Proteinen
-Neue Fortschritte im Vektordesign und in der Optimierung (Auswahl von Promotoren, Hybridsystemen, Codon-Optimierung, Verbesserung der Proteinlöslichkeit usw.)
-leicht skalierbare Techniken sowie rechnerische und statistische Ansätze für biopharmazeutische Anwendungen.

Schlüsselwörter:Protein-Überexpression, rekombinantes Protein, Überexpressionsvektoren, Affinitäts-Tags, Fusionsproteine

Wichtiger Hinweis: Alle Beiträge zu diesem Forschungsthema müssen in den Anwendungsbereich der Sektion und der Zeitschrift fallen, für die sie eingereicht werden, wie in deren Leitbildern definiert. Frontiers behält sich das Recht vor, ein Manuskript, das nicht in diesen Bereich fällt, in jeder Phase der Begutachtung an eine geeignetere Sektion oder Zeitschrift weiterzuleiten.