توصيفگر ها :
آنزيم T7 RNA پليمراز، , سنتز RNA , زيستفناوري , پروتئين نوتركيب , واكسنهاي mRNA
چكيده فارسي :
اين پژوهش با هدف توليد و بهينهسازي فرم نوتركيب آنزيم T7 RNA پليمراز (T7RNAP) بهعنوان يكي از ابزارهاي كليدي در زيستفناوري مدرن انجام شد. اين آنزيم بهطور گسترده در سنتز RNA، توسعه واكسنهاي mRNA، سامانههاي بيان پروتئين و مطالعات بيولوژي مولكولي كاربرد دارد. محدوديتهاي موجود در دسترسي به آنزيم تجاري در كشور، هزينههاي بالا و وجود ناخالصيهايي نظير گليسرول كه بر كارايي سامانههاي بدون سلول تأثير منفي ميگذارد، ضرورت توليد نسخه بومي و مقرونبهصرفه اين آنزيم را دوچندان ميكند. در اين تحقيق، ابتدا ژن كدكننده T7RNAP از فاژ T7 در وكتورهاي pAK-T7RNAP و pET28a-T7RNAP همسانهسازي و به سويههاي مختلف E. coli (DH5α براي تكثير پلاسميد و BL21 براي بيان پروتئين) منتقل شد. بهمنظور افزايش بازده توليد، بيان آنزيم در شرايط مختلف از جمله دماهاي متفاوت (37 و 20 درجه سانتيگراد) بررسي گرديد. نتايج نشان داد كه كاهش دما به 20 درجه سانتيگراد نهتنها پايداري و حلاليت پروتئين را افزايش داد، بلكه امكان توليد مقادير بيشتري از پروتئين نوتركيب محلول را فراهم كرد. خالصسازي پروتئين از طريق سيستمهاي مبتني بر برچسب هيستيديني و كروماتوگرافي موفقيتآميز بوده و غلظت نهايي پروتئين خالص به حدود 7 ميليگرم از 80 ميليليتر محيط كشت رسيد كه بيانگر ظرفيت توليد در مقياس صنعتي است. براي بررسي عملكرد، آنزيم نوتركيب در واكنشهاي رونويسي آزمايشگاهي مورد آزمون قرار گرفت. نتايج نشان داد كه اين آنزيم فعاليتي قابلمقايسه با نمونههاي تجاري دارد و RNA با طول مورد نظر را با دقت بالا سنتز ميكند. يكي از يافتههاي مهم، عدم تشكيل محصولات RNA غير اختصاصي بود؛ مشكلي كه در آنزيمهاي تجاري بهويژه بهدليل حضور گليسرول بالا مشاهده ميشود. بررسيهاي تكميلي نشان داد كه افزودن گليسرول در غلظتهاي بيش از 10٪ ميتواند باعث توليد RNAهاي ناخواسته و كاهش كيفيت محصول گردد. همچنين، استفاده از DNA حلقوي نسبت به DNA خطي بازده بالاتري در سنتز RNA داشت كه ميتواند راهبردي مؤثر در طراحي الگوهاي آينده باشد. يافتههاي اين پژوهش تأييد ميكند كه توليد آنزيم T7RNAP در كشور امكانپذير است و آنزيم حاصل از لحاظ خلوص، كارايي و قابليت استفاده در سامانههاي Cell-free پروتئين، برتر از نمونههاي وارداتي حاوي گليسرول عمل ميكند. اهميت اين نتيجه در كاهش هزينهها، استقلال علمي و صنعتي، و فراهمسازي زيرساختي پايدار براي توسعه فناوريهاي نوين همچون واكسنهاي mRNA، درمانهاي مبتني بر RNA و نانوزيستفناوري برجسته است. بهطور كلي، اين تحقيق نهتنها يك مسير عملي براي توليد آنزيمهاي كليدي زيستفناوري را ارائه ميدهد، بلكه زمينهساز توسعه روشهاي نوآورانه در بيان پروتئين، سنتز RNA و كاربردهاي درماني آينده خواهد بود. نتايج بهدستآمده ظرفيت بالاي اين آنزيم را در پاسخگويي به نيازهاي پژوهشي و صنعتي كشور نشان ميدهد و ميتواند بستري براي توليد كيتها و فرآوردههاي مبتني بر RNA در مقياس ملي فراهم سازد.
چكيده انگليسي :
This research aimed to produce and optimize recombinant T7 RNA polymerase (T7RNAP), a key tool in modern biotechnology. T7 RNA polymerase (T7RNAP) is widely used in RNA synthesis, mRNA vaccine development, protein expression systems, and molecular biology studies. Due to limited access to commercial enzymes in the country, high costs, and the presence of impurities such as glycerol that negatively affect cell-free systems, the need for a domestic, cost-effective version of this enzyme has become evident. In this study, the T7RNAP gene was cloned into the vectors pAK-T7RNAP and pET28a-T7RNAP, and the resulting constructs were introduced into various E. coli strains (DH5α for plasmid propagation and BL21 for protein expression). To increase production yield, the enzyme expression was evaluated under different conditions, including varying temperatures (37°C and 20°C). Results showed that lowering the temperature to 20°C not only enhanced protein stability and solubility but also enabled the production of higher amounts of soluble recombinant protein. Protein purification through histidine-tag-based systems and chromatography was successful, and the final protein concentration reached around 7 mg per 80 ml of culture medium, indicating potential for industrial-scale production. For functional testing, the recombinant enzyme was evaluated in in vitro transcription reactions. The results suggested that the enzyme exhibited activity comparable to that of commercial samples and synthesized RNA of the desired length with high accuracy. A significant finding was the absence of non-specific RNA products, a common issue in commercial enzymes, which is often attributed to the high glycerol content. Additional investigations revealed that glycerol concentrations above 10% led to the formation of unwanted RNA products and a decrease in product quality. Moreover, circular DNA templates yielded higher RNA yields than linear DNA templates, providing an effective strategy for future template design. The findings confirm that domestic production of T7RNAP is feasible, and the recombinant enzyme outperforms commercial samples in terms of purity, activity, and suitability for cell-free protein expression systems. The importance of this outcome lies in cost reduction, scientific and industrial independence, and the establishment of a sustainable infrastructure for the development of novel technologies such as mRNA vaccines, RNA-based therapies, and nanobiotechnology. Overall, this research not only presents a practical route for producing key biotechnological enzymes but also paves the way for innovative methods in protein expression, RNA synthesis, and future therapeutic applications. The results indicate the high potential of this enzyme to meet the countryʹs research and industrial needs, providing a foundation for national production of RNA-based kits and products.