Protein engineering (eng. Protein engineering ) er en gren af bioteknologi, der beskæftiger sig med udvikling af nyttige eller værdifulde proteiner . Dette er en relativt ny disciplin, der fokuserer på studiet af proteinfoldning og principperne for proteinmodifikation og -design.
Der er to hovedstrategier for proteinteknologi: rettet proteinmodifikation og rettet evolution. Disse metoder udelukker ikke hinanden; forskere bruger ofte begge dele. I fremtiden kan en mere detaljeret viden om proteiners struktur og funktion samt fremskridt inden for højteknologi i høj grad udvide mulighederne for proteinteknologi. Som et resultat kan selv ikke-naturlige aminosyrer inkluderes takket være en ny metode, der gør det muligt at inkludere nye aminosyrer i den genetiske kode .
Ved målrettet modifikation af et protein bruger videnskabsmanden detaljeret viden om proteinets struktur og formål til at foretage de ønskede ændringer. Generelt har denne metode den fordel, at den er billig og teknisk ukompliceret, da site-directed mutagenese- teknikker er veludviklede. Dens største ulempe er dog, at information om den detaljerede struktur af et protein ofte mangler, og selv når strukturen er kendt, kan det være meget svært at forudsige effekten af forskellige mutationer.
Proteinmodifikationssoftwarealgoritmer søger at identificere nye aminosyresekvenser, der kræver lidt energi for at danne en forudbestemt målstruktur. Mens den sekvens, der skal findes, er stor, er det mest udfordrende krav til proteinmodifikation en hurtig, men præcis måde at identificere og bestemme den optimale sekvens på i modsætning til lignende suboptimale sekvenser.
I rettet evolution anvendes tilfældig mutagenese på et protein, og der foretages selektion for at udvælge varianter, der har bestemte kvaliteter. Yderligere anvendes flere runder af mutation og selektion. Denne metode efterligner naturlig evolution og giver generelt fremragende resultater for rettet modifikation.
En yderligere teknik, kendt som DNA-shuffling, blander og bringer dele af vellykkede varianter frem for bedre resultater. Denne proces efterligner de rekombinationer, der forekommer naturligt under seksuel reproduktion. Fordelen ved rettet evolution er, at det ikke kræver forudgående kendskab til proteinstruktur, og det er heller ikke nødvendigt for at kunne forudsige, hvilken påvirkning en given mutation vil have. Faktisk er resultaterne af målrettede evolutionsforsøg overraskende, da de ønskede ændringer ofte er forårsaget af mutationer, der ikke burde have en sådan effekt. Ulempen er, at denne metode kræver høj gennemstrømning, hvilket ikke er muligt for alle proteiner. En stor mængde rekombinant DNA skal muteres, og produkterne skal screenes for den ønskede kvalitet. Det store antal muligheder kræver ofte køb af robotter for at automatisere processen. Derudover er det ikke altid nemt at screene for alle kvaliteter af interesse.
Ved hjælp af beregningsmetoder blev der udviklet et protein med en ny struktur samt sensorer til kunstige molekyler. Proteinfusionsteknologi har gjort det muligt at skabe rilonacept, et lægemiddel til behandling af kryopyrinafhængigt periodisk syndrom.
En anden beregningsmetode, IPRO, er med succes blevet anvendt i designet af Candida boidinii xylosereduktase-cofaktorskift. Iterative Protein Modification and Optimization (IPRO) modificerer proteiner for at øge eller indføre affinitet for naturlige eller nye substrater og cofaktorer. Dette gøres ved gentagne gange tilfældigt at forstyrre proteinstrukturen omkring givne strukturpositioner og bestemme den minimale bindingsenergi for rotamererne og bestemme, om det nye design har mindre energi end de tidligere. Automatiseret modifikation er også blevet brugt til at konstruere komplekse nano -proteinegenskaber. Konvolutproteinet af E. coli bacterioferritin (EcBfr), som har strukturel ustabilitet og ufuldstændig selvsamling, er blevet et modelobjekt for denne undersøgelse. Gennem computeranalyse og sammenligning af dets homologer blev dette protein fundet at have en mindre end sædvanlig dimerisk struktur på sin symmetriakse, hovedsageligt på grund af tilstedeværelsen af en bro af asparaginrester. For at undersøge den strukturelle stabilitet af konstrueret EcBfr, bruges en semi-empirisk beregningsmetode til at undersøge den praktiske energiforskel af 480 mulige dimer- mutanter med hensyn til vild EcBfr. Udskiftning af disse to asparaginer med hydrofobe aminosyrer resulterer i proteiner, der foldes til alfa-spiralformede monomerer og samles i celler, som det fremgår af cirkulær dikroisme og elektronmikroskopi. Både termisk og kemisk denaturering bekræfter, at alle modificerede proteiner i overensstemmelse med beregningerne har øget stabilitet. En af de tre mutationer favoriserer højere oligomerisering i opløsning som vist ved kromatografi og gelelektroforese.