La ingeniería de proteínas (ing. Protein Engineering ) es una rama de la biotecnología que se ocupa del desarrollo de proteínas útiles o valiosas . Esta es una disciplina relativamente nueva que se enfoca en el estudio del plegamiento de proteínas y los principios de modificación y diseño de proteínas.
Hay dos estrategias principales para la ingeniería de proteínas: la modificación dirigida de proteínas y la evolución dirigida. Estos métodos no son mutuamente excluyentes; los investigadores a menudo usan ambos. En el futuro, un conocimiento más detallado de la estructura y función de las proteínas, así como los avances en alta tecnología, pueden ampliar enormemente las posibilidades de la ingeniería de proteínas. Como resultado, incluso los aminoácidos no naturales pueden incluirse gracias a un nuevo método que permite incluir nuevos aminoácidos en el código genético .
En la modificación dirigida de una proteína, el científico utiliza un conocimiento detallado de la estructura y el propósito de la proteína para realizar los cambios deseados. Generalmente, este método tiene la ventaja de ser económico y técnicamente sencillo, ya que las técnicas de mutagénesis dirigida al sitio están bien desarrolladas. Sin embargo, su principal desventaja es que a menudo falta información sobre la estructura detallada de una proteína, e incluso cuando se conoce la estructura, puede ser muy difícil predecir el efecto de varias mutaciones.
Los algoritmos de software de modificación de proteínas buscan identificar nuevas secuencias de aminoácidos que requieren poca energía para formar una estructura objetivo predeterminada. Si bien la secuencia que se encuentra es grande, el requisito más desafiante para la modificación de proteínas es una forma rápida pero precisa de identificar y determinar la secuencia óptima en oposición a secuencias subóptimas similares.
En la evolución dirigida, la mutagénesis aleatoria se aplica a una proteína y la selección se realiza para seleccionar variantes que tengan ciertas cualidades. Además, se aplican más rondas de mutación y selección. Este método imita la evolución natural y generalmente da excelentes resultados para la modificación dirigida.
Una técnica adicional, conocida como mezcla de ADN, mezcla y saca partes de variantes exitosas para obtener mejores resultados. Este proceso imita las recombinaciones que ocurren naturalmente durante la reproducción sexual. La ventaja de la evolución dirigida es que no requiere un conocimiento previo de la estructura de la proteína, ni es necesario, para poder predecir qué impacto tendrá una determinada mutación. De hecho, los resultados de los experimentos de evolución dirigida son sorprendentes, ya que los cambios deseados a menudo son causados por mutaciones que no deberían tener tal efecto. La desventaja es que este método requiere un alto rendimiento, lo que no es posible para todas las proteínas. Debe mutarse una gran cantidad de ADN recombinante y los productos deben examinarse para obtener la calidad deseada. La gran cantidad de opciones a menudo requiere la compra de robótica para automatizar el proceso. Además, no siempre es fácil seleccionar todas las cualidades de interés.
Usando métodos computacionales, se desarrolló una proteína con una nueva estructura, así como sensores para moléculas artificiales. La tecnología de fusión de proteínas ha hecho posible crear rilonacept, un fármaco para el tratamiento del síndrome periódico dependiente de criopirina.
Otro método de cálculo, IPRO, se ha aplicado con éxito en el diseño del cambio de cofactor de xilosa reductasa de Candida boidinii. La modificación y optimización iterativa de proteínas (IPRO) modifica las proteínas para aumentar o introducir afinidad por sustratos y cofactores naturales o novedosos. Esto se hace perturbando repetidamente al azar la estructura de la proteína alrededor de posiciones de estructura dadas y determinando la energía mínima de unión de los rotámeros y determinando si el nuevo diseño tiene menos energía que los anteriores. La modificación automatizada también se ha utilizado para diseñar propiedades complejas de nanoproteínas . La proteína de la envoltura de la bacterioferritina de E. coli (EcBfr), que tiene inestabilidad estructural y un autoensamblaje incompleto, se ha convertido en un objeto modelo para este estudio. A través del análisis informático y la comparación de sus homólogos, se descubrió que esta proteína tenía una estructura dimérica más pequeña de lo habitual en su eje de simetría, principalmente debido a la presencia de un puente de residuos de asparagina. Para investigar la estabilidad estructural del EcBfr diseñado, se utiliza un método computacional semiempírico para examinar la diferencia de energía práctica de 480 posibles mutantes de dímero con respecto al EcBfr salvaje. El reemplazo de estas dos asparaginas con aminoácidos hidrofóbicos da como resultado proteínas que se pliegan en monómeros helicoidales alfa y se ensamblan en las células, como lo demuestra el dicroísmo circular y la microscopía electrónica. Tanto la desnaturalización térmica como la química confirman que todas las proteínas modificadas, de acuerdo con los cálculos, tienen mayor estabilidad. Una de las tres mutaciones favorece una mayor oligomerización en solución como se muestra por cromatografía y electroforesis en gel.