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As proteínas de membrana são um dos alvos mais importantes da droga no diagnóstico e terapêutica. De fato, metade dos pequenos alvos de drogas compostas são proteínas de membrana, como receptores acoplados à proteína G (GPCRs) e canais iônicos1. Ao longo dos anos, pesquisadores vêm trabalhando em estudos bioquímicos, biofísicos e estruturais de proteínas de membrana para elucidar sua estrutura e função 2,3. O desenvolvimento de anticorpos monoclonais contra proteínas de membrana também é realizado ativamente, a fim de acelerar estudos funcionais e estruturais e desenvolver aplicações terapêuticas e diagnósticas 4,5,6,7,8,9. Todos esses estudos requerem uma grande quantidade de proteínas de membrana de alta qualidade10. Por exemplo, vários miligramas de proteínas de membrana purificadas com conformação natural são necessários para o desenvolvimento de anticorpos. Uma quantidade muito maior de proteínas de membrana altamente purificadas é necessária para a cristalografia de raios-X. No entanto, a produção em massa de proteínas de membrana continua sendo um gargalo na pesquisa de proteínas de membrana11. As proteínas de membrana têm estruturas complicadas com uma ou mais hélices transmembranares e desempenham papéis importantes na homeostase celular. A superexpressão heteróloga de proteínas de membrana leva a múltiplos obstáculos, como a agregação de proteínas de membrana que se acumulam em altas concentrações locais ou a perturbação das vias de sinal celular. Mesmo que a expressão seja bem-sucedida, as etapas subsequentes de preparação da amostra também enfrentam dificuldades. Por exemplo, o preparo do proteolipossomo requer habilidades de alto nível e experiências profissionais em solubilização, purificação e estabilização de proteínas de membrana, e também custa muito esforço e tempo12,13.
Por outro lado, algumas tecnologias avançadas têm surgido nas últimas décadas para produzir proteínas sem o uso de células vivas 14,15,16,17,18. A tecnologia de síntese proteica livre de células reconstitui a reação de tradução em um tubo de ensaio. Como não há limitações que o sistema de expressão celular tenha, os sistemas livres de células têm potencial para sintetizar uma variedade de proteínas que são difíceis de expressar ou mostrar toxicidade nas células. O extrato de células purificadas ou a maquinaria translacional reconstituída é misturado com mRNAs modelo, aminoácidos e fontes de energia, e as proteínas recombinantes são sintetizadas em um curto espaço de tempo. Em relação à síntese proteica da membrana, alguns tipos de andaimes compostos por lipídios ou anfífilos, como lipossomas, biceles, nanodiscos ou copolímeros são adicionados à reação livre de células 19,20,21,22,23,24. As proteínas de membrana sintetizadas interagem com os andaimes e podem ser estabilizadas em água. Proteínas de membrana sintetizadas livres de células são amplamente utilizadas em estudos funcionais e na produção de anticorpos 25,26,27,28,29,30,31.
Neste protocolo, descrevemos um método eficiente livre de células de produção de proteolipossomas usando sistema livre de células de trigo e lipossomas. O sistema de síntese proteica livre de células de trigo é um poderoso sistema de tradução in vitro que utiliza extrato de gérmen de trigo 15,32,33. O gérmen de trigo contém uma grande quantidade de máquinas de tradução e poucos inibidores de tradução. O maquinário translacional no trigo, um membro dos eucariotos, é adequado para traduzir proteínas eucarióticas, e sua eficiência de tradução dificilmente é afetada pelo uso do códon do mRNA modelo. Usando o sistema livre de células de trigo, sintetizamos uma variedade de proteínas, incluindo proteínas quinases 34,35, ubiquitina ligases36, fatores de transcrição37 e proteínas de membrana com altas taxas de sucesso. Para a produção de proteína de membrana, adicionamos lipossomo lipídico vesícula na mistura de tradução como andaime19,38. Os domínios hidrofóbicos da proteína de membrana interagem com a bicamada lipídica e são espontaneamente integrados com o lipossoma. A centrifugação por gradiente de densidade é usada para separar estritamente o proteolifossomo das proteínas endógenas do trigo, embora uma centrifugação comum da mistura de reação de translação seja suficiente para uma simples purificação do proteolipossomo20. Muitos tipos de proteínas de membrana integral têm sido sintetizados utilizando o sistema livre de células de trigo e aplicados para várias pesquisas e desenvolvimentos 25,38,39,40,41,42,43,44. Além disso, desenvolvemos o "método bicamada-diálise" para produção em larga escala45,46. Neste método, o dispositivo de diálise do tipo copo é imerso no tampão de alimentação do substrato, e duas camadas de mistura de reação de translação e tampão de alimentação do substrato são formadas no copo, como mostra a Figura 1. O fornecimento contínuo de substratos e a remoção do subproduto podem ser conduzidos de forma eficiente tanto na parte superior quanto na parte inferior da mistura reacional por um longo tempo, o que leva a uma excelente eficácia de tradução (Figura 2A e Figura 2B)45.