Protein engineering (eng. Protein engineering ) on biotekniikan ala, joka käsittelee hyödyllisten tai arvokkaiden proteiinien kehittämistä . Tämä on suhteellisen uusi tieteenala, joka keskittyy proteiinien laskostumisen tutkimukseen ja proteiinien muuntamisen ja suunnittelun periaatteisiin.
Proteiinitekniikassa on kaksi päästrategiaa: suunnattu proteiinin modifiointi ja suunnattu evoluutio. Nämä menetelmät eivät sulje toisiaan pois; tutkijat käyttävät usein molempia. Tulevaisuudessa proteiinien rakenteen ja toiminnan tarkempi tuntemus sekä korkean teknologian kehitys voivat laajentaa huomattavasti proteiinitekniikan mahdollisuuksia. Tämän seurauksena jopa ei-luonnollisia aminohappoja voidaan sisällyttää uuden menetelmän ansiosta, joka mahdollistaa uusien aminohappojen sisällyttämisen geneettiseen koodiin .
Proteiinin kohdistetussa modifioinnissa tiedemies käyttää yksityiskohtaista tietoa proteiinin rakenteesta ja tarkoituksesta haluttujen muutosten tekemiseen. Yleensä tällä menetelmällä on se etu, että se on halpa ja teknisesti mutkaton, koska kohdennetut mutageneesitekniikat ovat hyvin kehittyneitä. Sen suurin haitta on kuitenkin se, että proteiinin yksityiskohtaisesta rakenteesta puuttuu usein tietoa, ja vaikka rakenne olisi tiedossa, eri mutaatioiden vaikutusta voi olla hyvin vaikea ennustaa.
Proteiinin modifiointiohjelmistoalgoritmit pyrkivät tunnistamaan uusia aminohapposekvenssejä, jotka vaativat vähän energiaa ennalta määrätyn kohderakenteen muodostamiseksi. Vaikka löydettävä sekvenssi on suuri, haastavin proteiinimuunnosvaatimus on nopea mutta tarkka tapa tunnistaa ja määrittää optimaalinen sekvenssi toisin kuin samanlaiset suboptimaaliset sekvenssit.
Suunnatussa evoluutiossa proteiiniin sovelletaan satunnaista mutageneesiä ja valikoidaan variantteja, joilla on tiettyjä ominaisuuksia. Lisäksi käytetään enemmän mutaatio- ja valintakierroksia. Tämä menetelmä jäljittelee luonnollista evoluutiota ja antaa yleensä erinomaisia tuloksia suunnattuun modifiointiin.
Lisätekniikka, joka tunnetaan nimellä DNA-sekoitus, sekoittaa ja tuo esiin osia onnistuneista varianteista parempien tulosten saavuttamiseksi. Tämä prosessi jäljittelee rekombinaatioita, joita esiintyy luonnollisesti seksuaalisen lisääntymisen aikana. Suunnatun evoluution etuna on, että se ei edellytä aiempaa tietoa proteiinin rakenteesta, eikä sitä tarvita, jotta voidaan ennustaa, mitä vaikutusta tietyllä mutaatiolla on. Suunnattujen evoluutiokokeiden tulokset ovatkin yllättäviä, sillä halutut muutokset johtuvat usein mutaatioista, joilla ei pitäisi olla sellaista vaikutusta. Haittapuolena on, että tämä menetelmä vaatii suurta suorituskykyä, mikä ei ole mahdollista kaikille proteiineille. Suuri määrä rekombinantti-DNA:ta on mutatoitava ja tuotteet on seulottava halutun laadun suhteen. Vaihtoehtojen suuri määrä edellyttää usein robotiikan ostamista prosessin automatisoimiseksi. Lisäksi ei ole aina helppoa seuloa kaikkia kiinnostavia ominaisuuksia.
Laskennallisilla menetelmillä kehitettiin uuden rakenteen omaava proteiini sekä keinotekoisten molekyylien sensorit. Proteiinifuusioteknologia on mahdollistanut rilonaseptin, kryopyriiniriippuvaisen periodisen oireyhtymän hoitoon tarkoitetun lääkkeen, luomisen.
Toista laskentamenetelmää, IPRO:ta, on käytetty menestyksekkäästi Candida boidinii ksyloosireduktaasin kofaktorivaihdon suunnittelussa. Iterative Protein Modification and Optimization (IPRO) muokkaa proteiineja lisäämään tai lisäämään affiniteettia luonnollisiin tai uusiin substraatteihin ja kofaktoreihin. Tämä tehdään toistuvasti satunnaisesti häiritsemällä proteiinirakennetta tiettyjen rakennepaikkojen ympärillä ja määrittämällä rotameerien vähimmäissitoutumisenergia ja määrittämällä, onko uudessa mallissa vähemmän energiaa kuin aikaisemmissa. Automaattista modifiointia on myös käytetty monimutkaisten nanoproteiiniominaisuuksien suunnitteluun . E. colin bakterioferritiinin (EcBfr) vaippaproteiinista, jolla on rakenteellista epävakautta ja epätäydellistä itsekokoamista, on tullut mallikohde tälle tutkimukselle. Tietokoneanalyysin ja homologien vertailun avulla tällä proteiinilla havaittiin olevan tavallista pienempi dimeerinen rakenne symmetria-akselillaan, mikä johtuu pääasiassa asparagiinitähteiden sillan läsnäolosta. Muokatun EcBfr:n rakenteellisen stabiiliuden tutkimiseksi käytetään puoliempiiristä laskennallista menetelmää, jossa tutkitaan 480 mahdollisen dimeerimutantin käytännön energiaeroa suhteessa villiin EcBfr:iin . Näiden kahden asparagiinin korvaaminen hydrofobisilla aminohapoilla johtaa proteiineihin, jotka laskostuvat alfakierteisiksi monomeereiksi ja kerääntyvät soluihin, kuten ympyrädikroismi ja elektronimikroskopia osoittavat. Sekä lämpö- että kemiallinen denaturaatio vahvistavat, että kaikki modifioidut proteiinit ovat laskelmien mukaan lisänneet stabiilisuutta. Yksi kolmesta mutaatiosta suosii suurempaa oligomeroitumista liuoksessa, kuten kromatografia ja geelielektroforeesi osoittavat.