عنوان دوره :مهندسی پروتئین

شرح دوره

 پروتئین ها پایه و اساس بیوتکنولوژی مدرن هستند چرا که آنها قادرند به صورت اختصاصی عمل نمایند که این ویژگی آنها را برای پاسخ های بیولوژیکی و عملکردی ایده آل ساخته است. مهندسی پروتئین فرایند توسعه پروتئین‌های با ارزش و مفید است. تاریخچه مهندسی پروتئین به حدود ۳۰ سال پیش به سمپوزیومی با موضوع evolving gene and protein در دانشگاه Reltger باز می گردد. در دهه ۱۹۷۰ Herbert Boyer و Stanley Cohen بیان نمودند که می توان پروتئین ها را به صورتی که قبلا وجود نداشته اند تغییر داده و مهندسی نمود. Robert Swanson و Boyer براساس تکنولوژی مهندسی پروتئین در سال ۱۹۷۶ شرکت Genetech خود را تاسیس نمودند. از آن زمان تا کنون مهندسی پروتئین بسیار گسترش یافته است و بازار اقتصادی گسترده ای را به دست آورده است به طوری که در سال  ۲۰۱۷تخمین زده شده است که ارزش این بازار حدود ۱۶۸ میلیارد دلار باشد. مهندسی پروتئین در زمینه های مختلفی مانند داروسازی، کشاورزی، محیط زیست و غیره کاربرد دارد. در شکل ۱ روند توسعه مهندسی پروتئین  در طی ۳۰ سال گذشته را می توان مشاهده نمود.

شکل ۱. روند توسعه مهندسی پروتئین در ۳۰ سال گذشته.

 

به طور کلی دو استراتژی کلی جهت مهندسی پروتئین وجود دارد:

۱-طراحی منطقی پروتئین(rational protein design)

۱-۱- طراحی منطقی پروتئین (rational protein design) یا knowledge-based mutagenesis

در این نوع طراحی از اطلاعات ساختاری و عملکردی پروتئین مورد نظر که از تحقیقات قبلی به دست آمده است جهت ایجاد تغییرات مطلوب در پروتئین مانند بهبود یا تغییر ساختار پروتئین یا خصوصیات عملکردی آن استفاده می گردد. به این روش protein redesign نیز گفته می شود. اولین پروتئین های طراحی شده به این روش، پروتئین های tyrosyl-transfer RNA synthetase ‪(TyrRS)‬ و بتالاکاتاماز در دهه های ۱۹۷۰و ۱۹۸۰ است. این روش از زمانی که روش site-direction mutagenesis  گسترش یافته است به تکنیکی ساده و ارزان قیمت تبدیل گردیده است.  در هر حال مهمترین عیب این روش این است که اغلب اطلاعات ساختاری زیادی در مورد بسیاری از پروتئین ها موجود نمی باشد و حتی اگر وجود داشته باشد پیشگویی تاثیر موتاسیون های مختلف بر روی ساختار یا عملکرد پروتئین بسیار سخت می باشد. توسعه علوم کامپیوتر و بالا رفتن قدرت محاسباتی کامپیوتر ها و پیشرفت ابر کامپیوترها و همچنین پیشرفت در الگوریتم های طراحی پروتئین، forcefield و بیوانفورماتیک ساختاری مانند کتابخانه های کنفورماسیون اسیدهای آمینه  در دهه های ۱۹۹۰باعث توسعه طراحی پروتئین به روش محاسباتی شد. این روش  به طور کلی با ایجاد جهش در پروتئین ها در شرایط in silico پروتئین های مختلفی را با رزولوشن بالا طراحی نموده و سپس پروتئین های طراحی شده از نظر انرژی جهت یافتن پروتئین های بهینه از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی مورد نظر مانند پایداری، اختصاصیت یا فعالیت آنزیمی ارزیابی می کند. پروتئین های بهینه به دست آمده در شرایط in silico در شرایط آزمایشگاهی از نظر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مورد نظر نیز بررسی خواهند شد. به دلیل آنکه روش طراحی پروتئین به صورت منطقی دارای فضای جستجو وسیع و محاسبات پیچیده ای است که انجام این نوع محاسبات به صورت دستی غیرممکن می باشد به همین دلیل امروزه استفاده از طراحی محاسباتی پروتئین در زمینه طراحی  پروتئین به امری ضروری تبدیل شده است و به عنوان اولین گام در طراحی منطقی پروتئین قرار دارد چرا که این روش باعث کاهش چشمگیر در حجم کارهای آزمایشگاهی و هزینه ها می گردد. مهمترین چالش در زمینه طراحی محاسباتی پروتئین دقت و سرعت آن است که امروزه الگوریتم های بسیاری موجود است که با دقت و سرعت قابل قبولی قادر به طراحی پروتئین می باشند.

۲-۱-طراحی پروتئین به روش de novo

از این روش طراحی پروتئین زمانی که تنها اطلاعات توالی پروتئین موجود باشد یا از ساختار پروتئین های شناخته شده به عنوان scaffold های طبیعی جهت ایجاد یک خصوصیت جدید در پروتئین مانند خصوصیت کاتالیستی، مهاری یا اتصال به فلزات استفاده می گردد.  طراحی محاسباتی پروتئین نیز در این زمینه به منظور کاهش هزینه و زمان توسعه یافته است. اولین پروتئین موفقیت آمیز طراحی شده  به روش de novo در سال ۱۹۹۷ توسط  Stephen Mayo و همکاران انجام گردید. اندکی پس از آن در سال ۱۹۹۹ Peter S. Kim و همکاران دایمر، ترایمر و تترامری از یک کویل کویل راست گرد غیر طبیعی را طراحی نمودند. در سال ۲۰۰۳ آزمایشگاه David Baker یک پروتئین را به صورت کامل فولد نموده که قبلا در طبیعت مشابه آن وجود نداشته است. پس از آن در سال ۲۰۰۸ گروه Baker آنزیم هایی را به صورت محاسباتی جهت دو واکنش متفاوت طراحی نمودند. در سال ۲۰۱۰ نیز یکی از مهمترین آنتی بادی های خنثی کننده از سرم بیماران با استفاده از پروب های پروتئینی طراحی شده به روش محاسباتی جداسازی شد.

۲-طراحی پروتئین به روش directed evolution 

در این روش نیازی به داشتن اطلاعات کافی از ساختار و مکانیسم عمل پروتئین وجود ندارد. در روش directed evolution خصوصیات مطلوب در پروتئین از طریق موتاسیون های تصادفی یا ژن نوترکیب به دست می آید. سپس از میان کتابخانه براساس خصوصیت مورد نظر موتاسیون ها یا نوترکیب ها غربالگری و انتخاب می شوند. به صورت کلی این روش دارای کمبودهایی در مقایسه با روش محاسباتی de novo می باشد. به منظور کاهش فضای جستجو در این روش طراحی استراتژی های محاسباتی جهت انجام غربالگری یا انتخاب به روش in silico توسعه یافته است.

 

سرفصل دوره

-اصول طراحی محاسباتی پروتئین به روش منطقی

۲-معرفی الگوریتم های طراحی محاسباتی پروتئین به روش منطقی و بررسی مزایا و معایب

۳-معرفی نرم افزارهای موجود در زمینه طراحی محاسباتی پروتئین به روش منطقی

۴- اصول طراحی محاسباتی پروتئین به روش de novo

۵- معرفی الگوریتم های طراحی محاسباتی پروتئین به روش de novo و بررسی مزایا و معایب هر کدام

۶- معرفی نرم افزارهای موجود در زمینه طراحی محاسباتی پروتئین به روش de novo

۶- اصول طراحی محاسباتی پروتئین به روش directed evolution

۷- معرفی الگوریتم های طراحی محاسباتی پروتئین به روش directed evolution و بررسی مزایا و معایب هر کدام

۸- معرفی نرم افزارهای موجود در زمینه طراحی محاسباتی پروتئین به روش directed evolution

 

اهداف دوره

در این دوره مخاطبین به صورت جامع با اصول طراحی پروتئین به روش محاسباتی و بررسی مزایا و معایب آن در مقایسه با روش های آزمایشگاهی آشنا خواهند شد. همچنین در این دوره آشنایی کامل با طراحی پروتئین به روش منطقی، de novo و directed evolution و اصول محاسبه  الگوریتم های مورد استفاده طراحی پروتئین هدف خود خواهند بود. مخاطبین در این دوره با نرم افزارهای محاسباتی موجود در زمینه طراحی پروتئین به هر سه روش منطقی، de novo و directed evolution  و الگوریتم های مورد استفاده در هر کدام از آنها نیز آشنا می گردند.

 

کاربرد دوره

آشنایی کامل با اصول مهندسی پروتئین

آشنایی کامل با طراحی پروتئین به روش منطقی

آشنایی کامل با مبنای مهندسی هر کدام از الگوریتم های محاسباتی به روش منطقی و بررسی مزایا و معایب هر کدام از آنها

آشنایی کامل با طراحی پروتئین به روش de novo

آشنایی کامل با مبنای مهندسی هر کدام از الگوریتم های محاسباتی به روش de novo و بررسی مزایا و معایب هر کدام از آنها

آشنایی کامل با طراحی پروتئین به روش directed evolution

آشنایی کامل با مبنای مهندسی هر کدام از الگوریتم های محاسباتی به روش directed evolution و بررسی مزایا و معایب هر کدام از آنها

 

مخاطبین

دانشجویان و محققین رشته های بیولوژی، بیوتکنولوژی پزشکی و دارویی، داروسازی، بیوشیمی، ژنتیک و سایر رشته های مرتبط در حوزه علوم پزشکی و دارویی

 

پیش نیاز

گذراندن دوره لینوکس برای بیوانفورماتیک و پیشگویی ساختار سوم پروتیین

مدت دوره

دو روزه