دماپایداری

اکثر انواع حیات روی زمین در دمای کمتر از 50 درجه زندگی می کنند (معمولاً از 15 تا 50 درجه سانتی گراد). درون این موجودات، ماکرومولکول‌ها (پروتئین‌ها و اسید نوکلئیک‌ها) وجود دارند که ساختارهای سه بعدی ضروری برای فعالیت آنزیمی آن‌ها را تشکیل می دهند. بالاتر از دمای طبیعی ارگانیسم، انرژی حرارتی ممکن است باعث باز شدن و دناتوره شدن شود، زیرا گرما می‌تواند پیوندهای درون مولکولی در ساختار‌های سومین و چهارمین را مختل کند. این باز شدن منجر به از دست دادن فعالیت آنزیمی می شود که به طور قابل درکی برای ادامه عملکردهای زندگی مضر است. به عنوان یک مثال از آن، می‌توان دناتوره شدن پروتئین‌های موجود در آلبومین از یک مایع شفاف و تقریباً بی‌رنگ به یک ژل سفید مات و نامحلول را ذکر کرد.

پروتئین‌هایی که قادر به تحمل چنین درجه حرارت بالایی هستند در مقایسه با پروتئین‌هایی که نیستند، به طور کلی از میکروارگانیسم‌های ابرگرمادوست هستند. چنین ارگانیسم‌هایی می‌توانند بیش از 50 درجه مقاومت کنند. همانطور که معمولا در محیط های 85 درجه‌ای و بالا‌تر زندگی می‌کنند. بعضی گونه‌های زنده گرمادوست موجود است که می تواند در درجه حرارت بالاتر از این مقاومت کند و برای حفظ عملکرد پروتئین در این درجه حرارت، سازگاری‌هایی داشته باشد. که می‌تواند شامل تغییر خواص توده‌ای سلول برای تثبیت همه پروتئین‌ها باشد و تغییرات خاص در پروتئین‌های خاص. مقایسه پروتئین‌های هم‌ساخت موجود در این گرمادوست‌ها و سایر ارگانیسم‌ها تفاوت هایی را در ساختار پروتئین نشان می دهد. یکی از تفاوت‌های قابل توجه، حضور پیوند‌های هیدروژنی اضافه در پروتئین‌های گرمادوست است. که یعنی ساختار پروتئین در برابر باز شدن مقاوم تر است. به طور مشابه، پروتئین‌های دماپایدار در پل های نمکی و پل‌های دی‌سولفید اضافه، غنی هستند و ساختار را پایدار می‌کنند. سایر عوامل دماپایداری پروتئین‌ها عبارتند از فشردگی ساختار پروتئین، الیگومریزاسیون, و اثر متقابل قدرت بین زیرواحدها.

موارد استفاده و کاربردها

واکنش‌های زنجیره ای پلیمراز

آنزیمهای دماپایدار مانند تک پلیمراز و پلیمراز دی‌ان‌ای Pfu در واکنش های زنجیره ای پلیمراز (PCR) استفاده می‌شود که در آن دمای 94 درجه سانتی گراد یا بالاتر برای ذوب رشته های DNA در مرحله دناتوراسیون PCR به کار گرفته می‌شود.

خالص سازی پروتئین

آگاهی از مقاومت یک آنزیم در برابر دماهای بالا مخصوصاً در خالص سازی پروتئین مفید است. در روش دناتوراسیون حرارتی، می توان مخلوطی از پروتئین‌ها را در معرض دمای بالا قرار داد که باعث می‌شود پروتئین‌هایی که دماپایدار نیستند، دناتوره شوند و پروتئین‌هایی که از نظر ترمودینامیکی پایدار هستند، از آن‌ها جدا شوند. یکی از نمونه‌های قابل توجه این موضوع، خالص سازی آلکالین فسفاتاز از Pyrococcus abyssi (یک ارگانیسم که در دمای بالا زندگی می‌کند) است. این آنزیم به پایداری حرارتی در دماهای بالاتر از 95 درجه سانتی گراد شناخته شده است، و بنابراین زمانی که در باکتری E. coli به صورت هترولوگ بیان می‌شود، می‌تواند تا حدی با حرارت دادن خالص سازی شود. افزایش دما باعث رسوب پروتئین‌های E. coli می‌شود، در حالی که آلکالین فسفاتاز P. abyssi به طور پایدار در محلول باقی می‌ماند.

هیدرولازهای گلیکوزید

گروه مهم دیگری از آنزیم‌های دماپایدار، گلیکوزید هیدرولازها هستند. این آنزیم‌ها مسئول تخریب بخش عمدهٔ زیست توده، پلی ساکاریدهای موجود در نشاسته و لیگنوسلولز هستند. بنابراین، به کاربردهای تصفیه زیستی گلیکوزید هیدرولاز‌ها در آیندهٔ اقتصاد زیستی علاقهٔ زیادی نشان داده می‌شود. به عنوان مثال: تولید مونوساکاریدها برای کاربردهای غذایی و همچنین استفاده به عنوان منبع کربن برای تبدیل میکروبی در سوخت‌ها (اتانول) و واسطه‌های شیمیایی، تولید الیگوساکاریدها برای کاربردهای پربیوتیک و تولید سورفکتانت‌های از نوع آلکیل گلیکوزید. همه این فرآیندها اغلب شامل عملیات حرارتی برای تسهیل هیدرولیز پلی ساکارید هستند، بنابراین به انواع گلیکوزید هیدرولازهاگلیکوزید هیدرولازهای دماپایدار نقش مهمی در این زمینه می دهند.

رویکردهایی برای بهبود دماپایداری پروتئین‌ها

از مهندسی پروتئین می توان برای افزایش دماپایداری پروتئین‌ها استفاده کرد. روش های مقایسه ای برای افزایش پایداری پروتئین‌های میانه‌دوست بر اساس مقایسه با همولوگ های گرمادوست استفاده شده است. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل پروتئین در حال باز شدن توسط دینامیک مولکولی می تواند برای درک فرآیند باز شدن و سپس طراحی جهش‌های پایدار کننده استفاده شود. مهندسی پروتئین برای افزایش دماپایداری پروتئین شامل جهش‌هایی است که حلقه ها را کوتاه می کند، همچنین افزایش دادن پل های نمکی یا پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای دی سولفید. علاوه بر این، پیوند لیگاند به ویژه هنگامی که خالص شود، می تواند پایداری پروتئین را افزایش دهد. نیروهای مختلفی وجود دارد که باعث دماپایداری یک پروتئین خاص می‌شود. این نیروها شامل برهمکنش‌های آبگریز، برهمکنش‌های الکترواستاتیکی و وجود پیوندهای دی‌سولفیدی می‌شود. مقدار کلی آبگریزی موجود در یک پروتئین خاص دلیل دماپایداری آن است. نوع دیگری از نیروهایی که علت دماپایداری پروتئین است، برهمکنش های الکترواستاتیکی بین مولکول‌ها است. این برهمکنش‌ها شامل پل‌های نمکی و پیوندهای هیدروژنی می‌شود. پل‌های نمکی تحت تأثیر دمای بالا قرار نمی‌گیرند، بنابراین برای پایداری پروتئین و آنزیم ضروری هستند. نیروی سومی که در افزایش دماپایداری پروتئین‌ها و آنزیم‌ها نقش دارد، وجود پیوندهای دی‌سولفیدی است. این نیرو‌ها پیوندهای متقابل کووالانسی بین زنجیره‌های پلی‌پپتیدی را ایجاد می‌کنند. از آنجا که این پیوند‌ها کووالانسی هستند، قوی ترین نوع پیوند را دارند. و آن‌ها را از نیروهای بین مولکولی قدرتمند‌تر می‌سازد. گلیکوزیلاسیون روش دیگری برای بهبود دماپایداری پروتئین‌ها است. اثرات استریوالکترونیکی در تثبیت برهمکنش‌های بین کربوهیدرات و پروتئین می تواند منجر به تثبیت حرارتی پروتئین گلیکوزیله شود.

برخی از قارچ‌های سمی حاوی توکسین‌های دماپایدار هستند، مانند آماتوکسین موجود در قارچ‌های کلاهک مرگ و گالرینا کشنده و کپک پاتولین. بنابراین، اعمال گرما به این‌ها سمیت را از بین نمی‌برد و نگرانی خاصی برای ایمنی مواد غذایی به شمار می‌رود.

تثبیت کننده‌های پلیمر

پلیمر‌های دماپایدار

گرمادوست‌ها

• ترموس ترموفیلوس
• ترموس آکواتیکوس
• Pyrococcus furiosus

1. ↑ Kulkarni TS, Khan S, Villagomez R, Mahmood T, Lindahl S, Logan DT, Linares-Pastén JA, Nordberg Karlsson E (May 2017). "Crystal structure of β-glucosidase 1A from Thermotoga neapolitana and comparison of active site mutants for hydrolysis of flavonoid glucosides". Proteins. 85 (5): 872–884. doi:10.1002/prot.25256. PMID 28142197.
2. ↑ Kandhari, Nitika; Sinha, Somdatta (June 26, 2017). "Complex network analysis of thermostable mutants of Bacillus subtilis Lipase A". Applied Network Science (به انگلیسی). 2 (1): 18. doi:10.1007/s41109-017-0039-y. ISSN 2364-8228. PMC 6214246. PMID 30443573.
3. ↑ Danson MJ, Hough DW, Russell RJ, Taylor GL, Pearl L (August 1996). "Enzyme thermostability and thermoactivity". Protein Engineering. 9 (8): 629–30. doi:10.1093/protein/9.8.629. PMID 8875639.
4. ↑ Takami H, Takaki Y, Chee GJ, Nishi S, Shimamura S, Suzuki H, Matsui S, Uchiyama I (2004). "Thermoadaptation trait revealed by the genome sequence of thermophilic Geobacillus kaustophilus". Nucleic Acids Research. 32 (21): 6292–303. doi:10.1093/nar/gkh970. PMC 535678. PMID 15576355.
5. ↑ Neves C, da Costa MS, Santos H (December 2005). "Compatible solutes of the hyperthermophile Palaeococcus ferrophilus: osmoadaptation and thermoadaptation in the order thermococcales". Applied and Environmental Microbiology. 71 (12): 8091–8. Bibcode:2005ApEnM..71.8091N. doi:10.1128/AEM.71.12.8091-8098.2005. PMC 1317470. PMID 16332790.
6. ↑ Das R, Gerstein M (May 2000). "The stability of thermophilic proteins: a study based on comprehensive genome comparison". Functional & Integrative Genomics. 1 (1): 76–88. doi:10.1007/s101420000003. PMID 11793224.
7. ↑ Matsumura M, Becktel WJ, Levitt M, Matthews BW (September 1989). "Stabilization of phage T4 lysozyme by engineered disulfide bonds". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 86 (17): 6562–6. Bibcode:1989PNAS...86.6562M. doi:10.1073/pnas.86.17.6562. PMC 297884. PMID 2671995.
8. ↑ Thompson MJ, Eisenberg D (July 1999). "Transproteomic evidence of a loop-deletion mechanism for enhancing protein thermostability". Journal of Molecular Biology. 290 (2): 595–604. doi:10.1006/jmbi.1999.2889. PMID 10390356.
9. ↑ Tanaka Y, Tsumoto K, Yasutake Y, Umetsu M, Yao M, Fukada H, Tanaka I, Kumagai I (July 2004). "How oligomerization contributes to the thermostability of an archaeon protein. Protein L-isoaspartyl-O-methyltransferase from Sulfolobus tokodaii". The Journal of Biological Chemistry. 279 (31): 32957–67. doi:10.1074/jbc.M404405200. PMID 15169774.
10. ↑ Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT, Mullis KB, Erlich HA (January 1988). "Primer-directed enzymatic amplification of DNA with a thermostable DNA polymerase". Science. 239 (4839): 487–91. Bibcode:1988Sci...239..487S. doi:10.1126/science.239.4839.487. PMID 2448875.
11. ↑ Zappa S, Rolland JL, Flament D, Gueguen Y, Boudrant J, Dietrich J (October 2001). "Characterization of a highly thermostable alkaline phosphatase from the euryarchaeon Pyrococcus abyssi". Applied and Environmental Microbiology. 67 (10): 4504–11. Bibcode:2001ApEnM..67.4504Z. doi:10.1128/AEM.67.10.4504-4511.2001. PMC 93196. PMID 11571149.
12. ↑ Linares-Pastén, J. A.; Andersson, M; Nordberg karlsson, E (2014). "Thermostable glycoside hydrolases in biorefinery technologies". Current Biotechnology. 3 (1): 26–44. doi:10.2174/22115501113026660041.
13. ↑ Sayed A, Ghazy MA, Ferreira AJ, Setubal JC, Chambergo FS, Ouf A, Adel M, Dawe AS, Archer JA, Bajic VB, Siam R, El-Dorry H (January 2014). "A novel mercuric reductase from the unique deep brine environment of Atlantis II in the Red Sea". The Journal of Biological Chemistry. 289 (3): 1675–87. doi:10.1074/jbc.M113.493429. PMC 3894346. PMID 24280218.
14. ↑ Perl D, Mueller U, Heinemann U, Schmid FX (May 2000). "Two exposed amino acid residues confer thermostability on a cold shock protein". Nature Structural Biology. 7 (5): 380–3. doi:10.1038/75151. PMID 10802734.
15. ↑ Lehmann M, Pasamontes L, Lassen SF, Wyss M (December 2000). "The consensus concept for thermostability engineering of proteins". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Protein Structure and Molecular Enzymology. 1543 (2): 408–415. doi:10.1016/s0167-4838(00)00238-7. PMID 11150616.
16. ↑ Sauer DB, Karpowich NK, Song JM, Wang DN (October 2015). "Rapid Bioinformatic Identification of Thermostabilizing Mutations". Biophysical Journal. 109 (7): 1420–8. Bibcode:2015BpJ...109.1420S. doi:10.1016/j.bpj.2015.07.026. PMC 4601007. PMID 26445442.
17. ↑ Liu HL, Wang WC (January 2003). "Protein engineering to improve the thermostability of glucoamylase from Aspergillus awamori based on molecular dynamics simulations". Protein Engineering. 16 (1): 19–25. doi:10.1093/proeng/gzg007. PMID 12646689.
18. ↑ Lee CW, Wang HJ, Hwang JK, Tseng CP (2014). "Protein thermal stability enhancement by designing salt bridges: a combined computational and experimental study". PLOS ONE. 9 (11): e112751. Bibcode:2014PLoSO...9k2751L. doi:10.1371/journal.pone.0112751. PMC 4231051. PMID 25393107.
19. ↑ Mansfeld J, Vriend G, Dijkstra BW, Veltman OR, Van den Burg B, Venema G, Ulbrich-Hofmann R, Eijsink VG (April 1997). "Extreme stabilization of a thermolysin-like protease by an engineered disulfide bond". The Journal of Biological Chemistry. 272 (17): 11152–6. doi:10.1074/jbc.272.17.11152. PMID 9111013.
20. ↑ Mancusso R, Karpowich NK, Czyzewski BK, Wang DN (December 2011). "Simple screening method for improving membrane protein thermostability". Methods. 55 (4): 324–9. doi:10.1016/j.ymeth.2011.07.008. PMC 3220791. PMID 21840396.
21. ↑ Tigerström, Anna (2005). "Thermostability of Proteins". BIOS. 76 (1): 22–27. doi:10.1893/0005-3155(2005)076[0022:TBFTOP]2.0.CO;2. JSTOR 4608725.
22. ↑ Ardejani, Maziar S.; Noodleman, Louis; Powers, Evan T.; Kelly, Jeffery W. (2021-03-15). "Stereoelectronic effects in stabilizing protein– N -glycan interactions revealed by experiment and machine learning". Nature Chemistry (به انگلیسی). 13 (5): 480–487. Bibcode:2021NatCh..13..480A. doi:10.1038/s41557-021-00646-w. ISSN 1755-4349. PMC 8102341. PMID 33723379.
23. ↑ "FDA: Moldy applesauce repackaged by school lunch supplier". NBC News. NBC News. Retrieved 15 April 2015.