С годами фармацевтические компании сместили свои приоритеты от традиционных вмешательств к более продвинутым фармакологическим стратегиям, таким как белковая терапия. Стоит отметить, что только в 2023 году было одобрено около 20 белковых препаратов для лечения множества заболеваний, включая онкологические и метаболические нарушения. Кроме того, ожидаемый объем продаж белковых терапевтических средств в 2023 году составит 400 миллиардов долларов. Растущую популярность этого класса лекарств можно объяснить его высокой специфичностью, сродством, минимальным взаимодействием между лекарствами, разнообразием биологических и химических веществ, доказанной фармакологической ценностью и благоприятные профили безопасности. Растущий спрос на белковые терапевтические средства, такие как моноклональные антитела и вакцины, стимулирует развитие технологий экспрессии белков для обеспечения эффективного и масштабируемого производства.

Экспрессия белков — это мощная технология в области синтетической биологии, которая используется для высокопроизводительного производства белков, а также ферментов и олигонуклеотидов (ДНК / РНК). В сфере здравоохранения технология экспрессии белка в основном используется для производства терапевтических биологических препаратов и ценных малых молекул. Кроме того, другие отрасли, такие как сельское хозяйство, косметика, продукты питания, науки об окружающей среде, биомедицинские исследования и промышленность по синтезу ферментов, также получают выгоду от процесса экспрессии белка.

Общий обзор процесса экспрессии белка

Экспрессия белка, также называемая производством белка, представляет собой биотехнологический процесс производства определенных белков для научных исследований или коммерческого использования. Первоначально этот процесс включает транскрипцию ДНК в информационную РНК (мРНК). Затем мРНК транслируется с образованием функциональных белков. Основными компонентами экспрессии белка являются вектор (плазмида), содержащий интересующий ген, и клетка-хозяин, например клетка млекопитающего или прокариотическая клетка.

Процесс экспрессии белка можно разделить на следующие этапы:

• Транскрипция: Последовательность ДНК гена транскрибируется в мРНК.
• Обработка мРНК: мРНК подвергается сплайсингу для удаления интронов и добавления 5′-кэпа и поли-А-хвоста.
• Перевод: Обработанная мРНК затем транслируется рибосомами для синтеза полипептидной цепи.
• Посттрансляционные модификации: Полипептидная цепь подвергается сворачиванию и модификациям, включая фосфорилирование, гликозилирование и расщепление, чтобы стать функциональным белком.

Технология/система экспрессии белка

Фармацевтическая промышленность использует различные технологии/системы экспрессии белков в зависимости от типа экспрессируемого белка, желаемого выхода, посттрансляционных модификаций и вложенного капитала. Однако используемая система экспрессии должна быть биосовместимой, нетоксичной и способной противостоять стрессам процесса экспрессии белка, не ухудшая качество продукта.

• Система экспрессии водорослей: Эта система экспрессии используется в генной инженерии, производстве биотоплива, ботанике. Он предлагает превосходный экспериментальный контроль для нутрицевтиков и биотоплива. Однако это все еще зарождающаяся технология экспрессии белка, и она относительно менее развита, чем другие системы-хозяева.
• Бесклеточная система экспрессии: Эта система экспрессии используется для экспрессии токсичных белков, высокопроизводительных протеомных исследований, скрининга ингибиторов трансляции. Он обладает быстрым и простым форматом. Кроме того, это неприемлемо для крупномасштабного производства.
• Система экспрессии насекомых: Эта система экспрессии используется в функциональных анализах, структурном анализе, экспрессии внутриклеточных и сложных белков и производстве вирусов. Интересно, что клетки насекомых обладают посттрансляционными модификациями, сходными с клетками млекопитающих. Кроме того, основными недостатками этой системы являются более длительное время производства и отсутствие частичного гликозилирования.
• Система экспрессии млекопитающих : Эта система экспрессии используется в функциональных анализах, структурном анализе, экспрессии сложных белков и производстве вирусов. Примечательно, что клетки-хозяева млекопитающих обеспечивают самый высокий уровень переработки белка. Стоит подчеркнуть, что около 85% биофармацевтических препаратов производятся с использованием культур клеток млекопитающих. Однако они требуют более требовательных условий выращивания.
• Прокариотическая система экспрессии: Эта система экспрессии используется в структурном анализе, создании антител и функциональных анализах. Прокариотические клетки обеспечивают более высокую масштабируемость и эффективность. Однако это требует оптимизации, специфичной для белка, и часто приводит к солюбилизации белка.
• Система экспрессии дрожжей: Эта система экспрессии используется в структурном анализе, создании антител и функциональных анализах. Он имеет различные преимущества, такие как более низкие производственные затраты, быстрое выражение и простые требования к носителям. Однако в дрожжевых клетках для получения очень высоких выходов требуется ферментация.

Применение технологии экспрессии белков в здравоохранении

• Способность эффективно экспрессировать белки хорошего качества имеет широкий спектр применений в различных областях. Экспрессия белка используется при производстве:
• Модифицированные человеческие белки (включая продукты белково-белкового слияния и ПЭГилированные белковые препараты)
• Моноклональные антитела используются при лечении различных заболеваний, включая аутоиммунные заболевания, онкологические заболевания и инфекционные заболевания.
• Гормоны (включая рекомбинантный инсулин, эритропоэтин и гормоны роста)
• Ферментозаместительная терапия, используемая при лечении редких генетических заболеваний, таких как болезнь Гоше.
• Продукты крови (включая альбумин, факторы свертывания крови, фибринолитики и тромболитики)
• Промышленные ферменты, используемые в производстве биотоплива, пищевой промышленности и утилизации отходов.

Кроме того, экспрессия белков также используется в структурной биологии и функциональной геномике для исследования функций, взаимодействий и роли белков в различных биологических путях.

Проблемы с технологиями экспрессии белков

Последние тенденции в индустрии экспрессии белков

Область экспрессии белков продолжает развиваться благодаря достижениям биотехнологии и растущему спросу на рекомбинантные белки. Некоторые из ключевых тенденций и будущих перспектив включают в себя:

• Синтетическая биология: Использование методов синтетической биологии для проектирования и разработки улучшенных систем экспрессии с повышенной урожайностью и функциональностью.
• CRISPR/Cas9: Редактирование генома CRISPR/Cas9 широко используется в этой области для разработки индивидуальных линий клеток-хозяев, обеспечивающих расширенные возможности производства белка.
• Автоматизация и высокопроизводительный досмотр: Разработка автоматизированных высокопроизводительных методов крупномасштабного производства белка, позволяющих снизить затраты и сократить время.
• Устойчивое производство: Растущие усилия по разработке более устойчивых и экологически чистых систем экспрессии. Одним из таких примеров является запуск систем экспрессии белков на растительной основе.
• Бесклеточные системы экспрессии: Бесклеточные системы экспрессии стали многообещающей альтернативой традиционному процессу производства белков на клеточной основе. Они способны обеспечить синтез нескольких сложных белков, включая токсичные белки, мембранные белки и другие посттрансляционно модифицированные белки.
• Биотопливо и биополимеры: Растущее использование экспрессии белка в промышленных биотехнологических приложениях для производства биотоплива и биополимеров.
• Интеграция мультиомики: Объединение различных омик, а именно геномики, эпигеномики, протеомики, транскриптомики и метаболомики, чтобы лучше понять экспрессию белка и ее влияние на больные клетки.

Заключительные замечания

Экспрессия белков является золотым стандартом в современной биотехнологии для производства огромного количества белков для терапевтических, промышленных и исследовательских целей. Выбор системы экспрессии и опыт поставщиков экспрессионных белков играют решающую роль в производстве высококачественных рекомбинантных белков. Спрос на передовые и удобные в использовании технологии/системы экспрессии белка увеличился в связи с увеличением расходов на исследования и разработки в области белковой терапии.

С течением времени экспрессия белков развивалась и включала в себя новые типы систем экспрессии, которые предлагают ряд преимуществ по сравнению с традиционными системами экспрессии. Эти новые категории включают высокопроизводительные системы клеточной экспрессии, бесклеточные системы экспрессии и системы экспрессии на растительной основе. Эти системы могут применяться в самых разных областях применения благодаря своей гибкости. Поскольку отрасль продолжает развиваться, вероятно, основное внимание будет уделяться повышению эффективности и дальнейшему снижению затрат, открывая путь к инновационным методам лечения и биотехнологическим применениям.

Подробную информацию об этой области можно найти в нашем отчете о рынке протеиновой экспрессии до 2035 года.

Биография автора

Акаршика Сингх — аналитик бизнес-исследований и специалист по конкурентной разведке. Она обладает высокой квалификацией в получении полезной информации из неструктурированных/структурированных наборов данных. Будучи опытным аналитиком в компании Roots Analysis, Акаршика оказывал помощь нескольким клиентам в различных отраслях промышленности в сфере здравоохранения. Эти вертикали включают медицинские устройства/технологии, услуги цифрового здравоохранения и различные лекарства/показания к заболеваниям. На сегодняшний день она участвовала в более чем пяти полномасштабных проектах по исследованию рынка.