Tämä tutkimusaihe on osa sarjaa ”Heterologous Protein Expression and Production Platforms: The How, Now and Wow of It”. Katso toinen osa täältä.
Proteiiniekspressio on prosessi, johon liittyy proteiinien synteesi, muokkaus ja säätely elävien organismien soluissa. Kun tämä solukoneisto valjastetaan tehokkaaksi laboratoriovälineeksi halutun proteiinin valmistamiseksi rekombinantti-DNA-teknologian avulla, sitä kutsutaan osuvasti rekombinanttiproteiinien tuotannoksi.
Geenitekniikan välineiden ilmaantumisen jälkeen perustutkijat ja sovellusasiantuntijat panostivat 1980-luvulla yhteisiin ponnisteluihin rekombinanttiproteiinien tuotantomenetelmien optimoimiseksi. Monien etujensa ansiosta Escherichia coli on ollut ensisijainen ekspressioisäntä. Nopeasti kasvavat geenimanipuloidut kannat ovat helppokäyttöisiä isäntiä, jotka kasvavat halvoilla väliaineilla, niiden geneettinen työkalupakki on hyvin määritelty ja saatavilla on useita vektoreita, joissa on säädettävät promoottorit ja antibioottivalinta, minkä ansiosta rekombinanttiproteiinien saanto on suuri. Joitakin puutteita ovat kuitenkin inkluusiokappaleiden muodostuminen, jotka tuottavat liukenemattomia proteiineja, codon bias -ongelmat, proteiinien vääränlainen taittuminen, posttranslationaalisen modifikaatiojärjestelmän puuttuminen ja endotoksiinien kertyminen, mikä on vakava ongelma, kun rekombinanttiproteiineja aiotaan käyttää terapeuttisiin tarkoituksiin. Tämä on johtanut vaihtoehtoisiin bakteeriperäisiin ja muihin kuin bakteeriperäisiin isäntäjärjestelmiin, kuten Mycobacteriumiin, joihinkin Bacillus-kantoihin, Caulobacter crescentus -bakteeriin, viruksiin, hiivoihin, säikeisiin, leviin, kasveihin tai hyönteis- ja nisäkässoluviljelmiin sekä soluvapaisiin ekspressioalustoihin.
Hiivoja, kuten Hansenula-, Kluyveromyces-, Pichia-, Saccharomyces- ja Yarrowia-hiivoja, käytetään ensisijaisina vaihtoehtoina prokaryooteille ja korkeammille eukaryooteille pääasiassa siksi, että ne kasvavat nopeasti edullisissa ja kemiallisesti määritellyissä väliaineissa, niitä on helppo käsitellä, niitä voidaan valmistaa suuressa mittakaavassa, niiden geneettisiä työkaluja on helppo manipuloida (mikä johtaa valtavaan määrään geneettisesti muunneltuja hiivakantoja), ne voivat ilmentää sekä solunsisäisiä että erittyviä valkuaisaineita, ja ne kykenevät suorittamaan translationaalisia muutoksia.
Nisäkäsjärjestelmiä suositaan kuitenkin bakteeri- ja hiivasysteemejä enemmän, koska niiden tuottamien proteiinien laatu on korkea, proteiinien liukoisuus on parempi, ne pystyvät tekemään translaation jälkeisiä modifikaatioita, ne erittävät proteiineja suurella saannolla ja ne pystyvät tuottamaan tehokkaasti suuria proteiinikomplekseja. Juuri tästä syystä lähes kaikki biofarmaseuttiset yritykset käyttävät maailmanlaajuisesti runsaasti nisäkäsperäisiä vakaita solulinjoja biologisten lääkkeiden valmistukseen. Viime aikoina on kehitetty korkeampia kasveja ja mikroleviä, kuten Chlamydomonas reinhardtii, Schizochytrium sp., Synechococcus ja diatoma Phaeodactylum tricornutum, arvokkaiden proteiinien tuotantoon. Ne ovat helposti skaalautuvia (mikä vaikuttaa edullisiin kasvihuoneisiin), niihin kohdistuu vähemmän patogeenien hyökkäyksiä ja ne ovat halvin kaikista proteiinien ilmentämisalustoista. Onko olemassa sellaista yliekspressioalustaa, jossa on kaikkien näiden järjestelmien edut (erityisesti ympäristöystävällinen alusta)?
Tämä tutkimusaihe kiinnostaa laajaa tutkijaryhmää, kuten molekyyli- ja rakennebiologeja, geneetikkoja, biokemistejä, kliinikoita, biofyysikoita, spektroskopisteja ja prosessi-insinöörejä, jotka työskentelevät proteiinien luonnehtimiseksi, suunnittelemiseksi ja tuottamiseksi. Se kutsuu näin ollen mukaan alkuperäisiä tutkimus- ja katsausartikkeleita, joissa käsitellään seuraavia aiheita:
-soluettomia, prokaryoottisia ja eukaryoottisia isäntä-ekspressioalustoja
-teknologian kehittynyttä kehitystä sekä stabiilien että ohimenevien proteiinien parempaan ekspressioon ja suunnitteluun
-viimeaikaisia edistysaskeleita vektoreiden suunnittelussa ja optimoinnissa (promoottoreiden valinta, hybridi-systeemit, koodonien optimointi, proteiinien paremman liukoisuuden parantaminen jne.

Avainsanat: Proteiinien yliekspressio, rekombinanttiproteiini, yliekspressiovektorit, affiniteettitunnisteet, fuusioproteiinit

Tärkeä huomautus: Kaikkien tätä tutkimusaihetta käsittelevien kirjoitusten on kuuluttava sen jaoston ja lehden toimialaan, johon ne on toimitettu, siten kuin ne on määritelty niiden tehtävänmäärittelyissä. Frontiers pidättää oikeuden ohjata soveltamisalan ulkopuolelle jäävän käsikirjoituksen sopivampaan osastoon tai lehteen missä tahansa vertaisarviointivaiheessa.