Metode untuk Pemurnian Protein dalam Bioteknologi

Komponen penting dari penelitian bioteknologi adalah penggunaan teknik rekayasa protein untuk merancang atau memodifikasi protein. Teknik pemurnian protein ini mengoptimalkan sifat protein untuk aplikasi industri tertentu.

Teknik-teknik ini mengharuskan para ilmuwan untuk mengisolasi dan memurnikan protein yang diminati sehingga konformasi dan spesifisitas substratnya dapat dipelajari. Juga membutuhkan studi adalah reaksi dengan ligan lain (protein yang menempel pada protein reseptor) dan aktivitas enzim spesifik.

Tingkat kemurnian protein yang dibutuhkan tergantung pada penggunaan protein yang dimaksud. Untuk beberapa aplikasi, ekstrak kasar sudah cukup. Penggunaan lain, seperti dalam makanan dan obat-obatan, tingkat kemurnian yang tinggi diperlukan. Beberapa teknik untuk pemurnian protein digunakan untuk mencapai tingkat kemurnian yang dibutuhkan.

Setiap langkah pemurnian protein biasanya menghasilkan beberapa tingkat kehilangan produk. Oleh karena itu, strategi pemurnian protein yang ideal adalah strategi di mana tingkat pemurnian tertinggi dicapai dalam langkah paling sedikit.

Pemilihan langkah mana yang akan digunakan tergantung pada ukuran, muatan, kelarutan dan sifat-sifat lain dari protein target. Teknik-teknik berikut ini paling tepat untuk memurnikan protein sitosol tunggal.

Pemurnian kompleks protein sitosolik lebih rumit dan biasanya mengharuskan metode yang berbeda diterapkan.

Langkah pertama dalam memurnikan protein intraseluler (di dalam sel) adalah persiapan ekstrak kasar. Ekstrak akan mengandung campuran kompleks dari semua protein dari sitoplasma sel, dan beberapa makromolekul tambahan, kofaktor, dan nutrisi.

Ekstrak kasar ini dapat digunakan untuk beberapa aplikasi dalam bioteknologi. Namun, jika kemurnian merupakan masalah, langkah-langkah pemurnian berikutnya harus diikuti. Ekstrak protein kasar disiapkan dengan menghilangkan debris seluler yang dihasilkan oleh lisis sel, yang dicapai dengan menggunakan bahan kimia, enzim, sonication atau Pers Perancis.

Puing-puing dihilangkan dengan sentrifugasi, dan supernatan (cairan di atas residu padat) diperoleh kembali. Persiapan kasar protein ekstraseluler (di luar sel) dapat diperoleh dengan hanya mengeluarkan sel dengan sentrifugasi.

Yang pasti bioteknologi aplikasi, ada permintaan untuk enzim termostabil — enzim yang dapat mentolerir suhu tinggi tanpa denaturasi, sambil mempertahankan aktivitas spesifik yang tinggi.

Organisme yang menghasilkan protein tahan panas kadang-kadang disebut ekstrofil. Pendekatan mudah untuk memurnikan protein tahan panas adalah denaturasi protein lain dalam campuran memanaskan, kemudian mendinginkan larutan (dengan demikian memungkinkan enzim termostabil untuk mereformasi atau melarutkan kembali, jika perlu). Protein terdenaturasi kemudian dapat dihilangkan dengan sentrifugasi.

Modern biotek protokol sering mengambil keuntungan dari banyak kit atau metode yang tersedia secara komersial yang menyediakan solusi siap pakai untuk prosedur standar. Pemurnian protein sering dilakukan dengan menggunakan filter dan kolom filtrasi gel yang disiapkan.

Ikuti instruksi perangkat dialisis dan tambahkan volume yang tepat dari solusi yang tepat dan tunggu ditentukan lama waktu saat mengumpulkan eluant (pelarut melewati kolom) dalam pengujian baru tabung.

Metode kromatografi dapat diterapkan menggunakan kolom bangku-atas atau peralatan HPLC otomatis. Pemisahan dengan HPLC dapat dilakukan dengan fase balik, pertukaran ion atau metode pengecualian ukuran, dan sampel yang terdeteksi oleh array dioda atau teknologi laser.

Di masa lalu, langkah kedua yang umum untuk memurnikan protein dari ekstrak kasar adalah dengan presipitasi dalam larutan dengan kekuatan osmotik tinggi (yaitu larutan garam). Pengendapan protein biasanya dilakukan dengan menggunakan amonium sulfat sebagai garam. Asam nukleat dalam ekstrak kasar dapat dihilangkan dengan mengendapkan agregat yang terbentuk dengan streptomisin sulfat atau protamin sulfat.

Pengendapan garam biasanya tidak mengarah pada protein yang sangat murni tetapi dapat membantu menghilangkan beberapa protein yang tidak diinginkan dalam campuran, dan dengan memekatkan sampel. Garam dalam larutan kemudian dihilangkan dengan dialisis melalui tabung selulosa berpori, filtrasi, atau kromatografi eksklusi gel.

Protein yang berbeda akan mengendap dalam konsentrasi amonium sulfat yang berbeda. Secara umum, protein dengan berat molekul lebih tinggi mengendap dalam konsentrasi amonium sulfat yang lebih rendah.

Kromatografi fase balik (RPC) memisahkan protein berdasarkan hidrofobik relatifnya (pengecualian molekul non-polar dari air). Teknik ini sangat selektif tetapi membutuhkan penggunaan pelarut organik.

Beberapa protein secara permanen didenaturasi oleh pelarut dan akan kehilangan fungsionalitas selama RPC. Oleh karena itu metode ini tidak direkomendasikan untuk semua aplikasi, terutama jika diperlukan untuk protein target untuk mempertahankan aktivitas.

Kromatografi penukar ion mengacu pada pemisahan protein berdasarkan muatan. Kolom dapat disiapkan untuk pertukaran anion atau pertukaran kation. Kolom penukar anion mengandung fase diam dengan muatan positif yang menarik protein bermuatan negatif.

Kolom penukar kation adalah manik-manik terbalik dan bermuatan negatif yang menarik protein bermuatan positif. Elusi (mengekstraksi satu bahan dari yang lain) dari protein target dilakukan dengan mengubah pH dalam kolom, yang menghasilkan perubahan atau netralisasi kelompok fungsional yang dibebankan masing-masing protein.

Kromatografi eksklusi ukuran (juga dikenal sebagai filtrasi gel) memisahkan protein yang lebih besar dari yang lebih kecil yang karena molekul yang lebih besar bergerak lebih cepat melalui polimer ikatan silang dalam kromatografi kolom. Protein besar tidak cocok dengan pori-pori polimer sedangkan protein yang lebih kecil melakukannya, dan membutuhkan waktu lebih lama untuk melakukan perjalanan melalui kolom kromatografi, melalui rute yang kurang langsung.

Eluate (hasil elusi) dikumpulkan dalam serangkaian tabung yang memisahkan protein berdasarkan waktu elusi. Filtrasi gel adalah alat yang berguna untuk memekatkan sampel protein karena protein target dikumpulkan dalam volume elusi yang lebih kecil daripada yang awalnya ditambahkan ke kolom. Teknik filtrasi yang serupa dapat digunakan selama produksi protein skala besar karena efektivitas biaya.

Kromatografi afinitas adalah teknik yang sangat berguna untuk "memoles", atau menyelesaikan proses pemurnian protein. Manik-manik di kolom kromatografi terkait silang dengan ligan yang berikatan khusus dengan protein target.

Protein kemudian dikeluarkan dari kolom dengan membilasnya dengan larutan yang mengandung ligan bebas. Metode ini memberikan hasil paling murni dan aktivitas spesifik tertinggi dibandingkan dengan teknik lain.

SDS-PAGE (natrium dodesil sulfat yang digunakan dengan elektroforesis gel poliakrilamida) mengikat protein yang memberi mereka muatan negatif netto yang besar. Karena muatan semua protein cukup sama, metode ini memisahkan mereka hampir seluruhnya berdasarkan ukuran.

SDS-PAGE sering digunakan untuk menguji kemurnian protein setelah setiap langkah dalam satu rangkaian. Karena protein yang tidak diinginkan secara bertahap dikeluarkan dari campuran, jumlah pita yang divisualisasikan pada gel SDS-PAGE berkurang, sampai hanya ada satu pita yang mewakili protein yang diinginkan.

Immunoblotting adalah teknik visualisasi protein yang diterapkan dalam kombinasi dengan kromatografi afinitas. Antibodi untuk protein tertentu digunakan sebagai ligan pada kolom kromatografi afinitas.

Protein target dipertahankan pada kolom, kemudian dihilangkan dengan membilas kolom dengan larutan garam atau agen lainnya. Antibodi yang dikaitkan dengan radioaktif atau label pewarna membantu mendeteksi protein target setelah dipisahkan dari sisa campuran.