در این مطلب از شرکت بازگانی ثنا شیمی که فروش مواد شیمیایی آزمایشگاهی را انجام میدهد، می خواهیم در مورد تکنیک بیوکونژوگاسیون (bioconjugation) صحبت کنیم. یکی از تکنیک های شیمیایی برای جفت کردن دو مولکول با هم که حداقل یکی از آنها یک مولکول زیستی مانند کربوهیدرات، اسید نوکلئیک یا پروتئین است، بیوکونژوگاسیون نام دارد. همچنین واکنش‌های بیوکونژوگاسیون نقش مهمی را در اصلاح پروتئین‌ها دارد چراکه پروتئین‌ها را می‌توان برای انجام انواع عملکردها از جمله ردیابی سلولی و نشانگرهای زیستی تصویربرداری اصلاح کرد.
دلایل استفاده از واکنش‌های بیوکونژوگاسیون
کشف فعل و انفعالات بیولوژیکی
پروتئین ها و سایر پلیمرهای زیستی با اتصال به لیگاندها، عملکردهای بیولوژیکی را تنظیم و انجام می دهند؛ براین اساس، کشف و شناسایی لیگاندهای طبیعی پلیمرهای زیستی برای درک فرآیندهای بیولوژیکی بسیار مهم است که میتواند به عنوان یک رویکرد امیدوارکننده برای کشف لیگاند، شامل الحاق مولکول‌های زیستی مورد علاقه با مولکول‌های کوچک مصنوعی می باشد که می‌توانند به عنوان پروبهایی عمل کنند که اتصال لیگاند را گزارش می‌کنند. چنین پروب هایی شامل مولکول های فلورسنت، بیوتین و پروب های NMR است.
سنجش بیوشیمیایی
یکی دیگر از دلایل استفاده از بیوکونژوگاسیون (Bioconjugation)، سنجش بیوشیمیایی می باشد. مولکول های کوچکی که به بیومولکول ها اضافه می شوند، می توانند به عنوان کاوشگر برای آنالیزهای بیوشیمیایی دقیق عمل کنند. به عنوان مثال، انتقال انرژی رزونانس فورستر (FRET) را می توان برای تولید سیگنال هایی استفاده کرد که به تغییرات ساختاری مولکولی در محدوده ۱ تا ۱۰ نانومتر، حساس هستند.
یک آزمایش FRET معمولی مستلزم اتصال یک جفت مولکول فلورسنت به مناطق مختلف یک زیست مولکول است که یکی از این فلوروفورها با انتقال انرژی به صورت غیر تشعشعی به فلوروفور دیگر که به عنوان یک “پذیرنده” عمل می کند، عملکردی مانند یک “اهداکننده” دارد. در ادامه، پذیرنده تشعشعات را در فرکانس انتشار مشخصه خود ساطع می کند تا نتیجه فاصله بین دهنده و گیرنده FRET را گزارش دهد.
رویکردهای مبتنی بر FRET توانسته سطح بی‌سابقه‌ای از مشخص کردن تاخوردگی پروتئین، تا زدن RNA ، واکنش های بیوشیمیایی و رویکردهای فلورسانس تک مولکولی مدرن را رقم بزند.
جالب است بدانید که مولکول های کوچک غیر فلورسنت نیز به عنوان کاوشگر مکانیکی می توانند مورد استفاده قرار گیرند. به عنوان مثال، بیوتین به یک کانال K + -یون متصل شده و این امکان را فراهم می کند که تغییرات ساختاری همراه با باز شدن کانال، اندازه گیری دسترسی بیوتین به آویدین برون زا را نقشه برداری کند
کاربردهای تشخیصی
دلیل دیگر استفاده از بیوکونژوگاسیون، کاربردهای تشخیصی است. تشخیص کمی و کیفی آنالیت ها در نمونه های بالینی برای تشخیص زودهنگام بیماری بسیار مهم است. پیچیدگی و ناهمگونی نمونه‌های بالینی، محیطی چالش‌برانگیز برای تشخیص مولکول‌های منفرد را ارائه می‌کند. خالص‌سازی کروماتوگرافی آنالیت‌ها قبل از آنالیز، کاری زمان‌بر، فشرده و غیرعملی است. بر این اساس، روش‌های شیمیایی و ایمونولوژیک برای تشخیص‌های پزشکی مورد توجه قرار گرفته‌اند.
شیمی بالینی از خاصیت فیزیکوشیمیایی ذاتی آنالیت برای تولید یک سیگنال منحصر به فرد استفاده می کند و با اینکار تصفیه آنالیت را دور می زند. نمونه‌هایی از این رویکرد شامل تشخیص اسپکتروفتومتری یون‌های فلزی و سنجش‌های مبتنی بر سوبسترای کروموژنیک و فلوروژنیک برای مشخص کردن آنزیم‌های مورد نظر است.
این هم باید بدانید که روش‌های شیمی بالینی به موارد خاص محدود می‌شوند، زیرا بسیاری از آنالیت‌ها فاقد ویژگی منحصر به فرد تولید سیگنال هستند؛ علاوه بر این، رویکردهای شیمی بالینی اغلب به اندازه کافی حساس نیستند که در رژیم های بالینی مفید باشند.
مقایسه ای بین واکنش های بیوکونژوگاسیون با دیگر روش های شیمیایی و سنتی
در مقایسه با روش های شیمیایی، رویکردهای ایمونولوژیکی اغلب حساس تر هستند؛ علاوه بر این، از آنجایی که تقریباً بر علیه هر آنالیتی می توان آنتی بادی تولید کرد، این روش به طور گسترده ای قابل استفاده است.
روش‌های تشخیص سنتی نیز، نیازمند پروتکل‌های آزمایشی بیوشیمیایی قابل توجهی هستند که زمان‌بر و به تجهیزات آزمایشگاهی تخصصی نیاز دارند که کاربرد آنها را محدود می‌کنند. همچنین توسعه حسگرهای زیستی قابل استفاده مجدد، برای تشخیص اقتصادی و سریع آنالیت‌ها وجود دارد که در مکان‌هایی دور از محیط آزمایشگاهیمانند مطب یک پزشک یا در یک مکان جغرافیایی دور از دسترس، قابل استفاده باشد. این هم بدانید که بیشتر حسگرهای زیستی متشکل از بیومولکول‌هایی هستند که از طریق پیوندهای بیو‌کنژوگاسیون قوی به سطوح متصل هستند.
به عنوان مثال، یک حسگر گلوکز میتواند گلوکز اکسیداز سطح الکترود را بی حرکت کند.در ادامه آنزیم بی حرکت، گلوکز را به پراکسید هیدروژن تبدیل کرده تا به عنوان یک سیگنال دیجیتال ثبت می شود. از این این دستگاه برای نظارت بر سطح گلوکز در بیماران دیابتی استفاده می گردد.
PEGylation
کونژوگه مولکول های پلی اتیلن گلیکول (PEG) به پروتئین، یک تکنیک کاملاً ثابت است که به عنوان “PEGylation” نامیده می شود. اتصال PEG ها می تواند پروتئین ها را با بسیاری از ویژگی های مطلوب،
مانند افزایش حلالیت در آب، کاهش ایمنی زایی، بهبود نیمه عمر گردش در داخل بدن ، افزایش مقاومت پروتئولیتیک، کاهش سمیت و بهبود پایداری حرارتی و مکانیکی به پروتئین ها اعطا کند.
کاربردهای صنعتی
آنزیم های بی حرکت به عنوان کاتالیزورهای صنعتی نیز استفاده می شوند. اولین کاربرد تجاری آنزیم های بی حرکت، تفکیک اسیدهای آمینه توسط یک آمینو سیکلاز بود. از کاربردهای آن در صنایع غذایی نیز میتوان به استفاده از فوماراز برای کاتالیز کردن ایزومریزاسیون اسید فوماریک به اسید مالیک اشاره کرد. همچنین در صنعت داروسازی نیز، از آنزیم های بی حرکت برای سنتز داروها استفاده می شود. کاربردهای بیوکونژوگاسیون در صنایع شیمیایی هم رایج است که به عنوان یک نمونه بارز آن میتوان به استفاده از نیتریل هیدراتاز بی حرکت برای تولید آکریل آمید از اکریلونیتریل اشاره کرد.
پیوندهای بیوکونژوگاسیون
استراتژی‌های سنتی برای بیوکونژوگه‌سازی کووالانسی مانع از کنترل و تولید محصولات واکنش ناهمگن می‌شد. همچنین کنترل ضعیف بر روی محل اصلاح، از دست دادن عملکرد بیولوژیکی بیومولکول هدف را در پی داشت. اما در مقابل، روش‌های جدید بیوکونژوگیگاسیون بسیار مختص مکان هستند و کمترین اختلال را در شکل فعال زیست مولکول ایجاد می‌کنند. بنابراین، بیوکونژوگاسیون اختصاصی به بیوکونژوگاسیون تصادفی ارجحیت دارد که پیوندهای متداول آن برای بیوکونژوگاسیون مکان خاص، به باقی مانده های سیستئین یا لیزین بستگی دارد.
پس میتوان گفت که استراتژی های مختلفی در استفاده از این روش وجود دارد.
سخن پایانی
Bioconjugation، پیوند شیمیایی دو مولکول برای تشکیل یک هیبرید واحد است که حداقل یکی از اعضا آن، یک مولکول زیستی است. به عبارت دیگر، محصول به دست آمده فعالیت هر جزء را حفظ می کند و در عین حال عملکرد جدیدی را به دست می آورد که با هیچ یک از مولکول ها به تنهایی امکان پذیر نیست.
بیوکونژوگاسیون معمولاً شامل افزودن گروه‌های عاملی متمایز اما مکمل به هر یک از دو مولکول زیستی است که آنها را قادر می‌سازد به یکدیگر متصل شوند که این امر از طریق فرآیندی به نام اmodification به دست می‌آید و به موجب آن، پیونددهنده ها به آمین‌ها یا گروه‌های تیول موجود روی مولکول‌های زیستی قبل از مخلوط شدن، یکدیگر متصل می‌شوند.
نمونه‌های متداول بیوکونژوگه عبارتند از آنتی‌بادی‌های متصل به فلوروفورها که هم می‌توانند آنالیت هدف را تشخیص دهند و هم یک بازخوانی قابل اندازه‌گیری برای تأیید حضور آن ایجاد کنند و پروتئین‌های متصل به دانه‌های آگارز که پروتئین‌های متصل به دانه‌های آگارز می‌توانند برای رسوب ایمنی یک شریک اتصال خاص از محلول بدون نیاز به آنزیم ثانویه استفاده شوند.