Kỹ thuật protein hay kỹ nghệ protein là kỹ thuật được sử dụng để thay đổi cấu trúc phân tử của protein tự nhiên (đặc biệt là enzyme) nhằm cải thiện các đặc tính của chúng thích hợp cho các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.

Điều này liên quan đến việc sửa đổi trình tự các nucleotide của đoạn gen mã hoá chúng, cho phép thay đổi các axit amin trong trình tự protein hiện có. Như vậy, đoạn DNA tổng hợp (hay tái tổ hợp) có thể được sử dụng làm khuôn để sinh tổng hợp (sản xuất) các phân tử protein tái tổ hợp mới thông qua các tế bào chủ hoặc các hệ thống sinh học khác khi có chứa đầy đủ các yếu tố cần thiết cho quá các trình phiên mã và dịch mã. Quá trình sinh tổng hợp này thường bao gồm một quy trình nhân bản DNA điển hình, trong đó, gen mã hóa cho một protein nhất định được chèn vào một đoạn DNA vòng gọi là plasmid nhân dòng hay plasmid biểu hiện. Đây là một quy trình phức tạp, bao gồm các bước cơ bản như sau:

1. Cắt/mở plasmid và "dán" gen, tạo plasmid tái tổ hợp. Quá trình này phụ thuộc vào các enzyme hạn chế (cắt và nối DNA ở những vị trí xác định)
2. Chuyển (biến nạp) plasmid tái tổ hợp vào vi khuẩn. Sử dụng lựa chọn kháng sinh để xác định vi khuẩn có chứa plasmid tái tổ hợp
3. Nhân nuôi các loại vi khuẩn mang plasmid và sử dụng chúng như là "các nhà máy" để sản xuất các protein/enzyme. Thu hoạch các protein/enzyme từ nuôi cấy vi khuẩn, làm sạch và ứng dụng chúng vào các mục đích khác nhau.

Kỹ nghệ protein cũng thường được sử dụng để tổng hợp các enzyme (thường được gọi là enzyme thiết kế) sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu cũng như ứng dụng công nghệ sinh học. Có thể liệt kê các phương pháp hay kỹ thuật protein khác nhau có liên quan theo trình tự thời gian đã được công bố: thiết kế hợp lý, đột biến điểm định hướng, các phương pháp tiến hóa/tiến hóa định hướng, đột biến ngẫu nhiên, DNA shuffling, động học phân tử, mô hình tương tự, peptidomimetics, công nghệ phage display, hệ sinh tổng hợp không tế bào, kỹ nghệ enzyme de novo, mRNA display...

Ngoài ra, các protein mới cũng có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học, trong đó các chuỗi polypeptit được lắp ráp từ các axit amin khác nhau dưới sự kiểm soát của các hóa chất theo một quy trình xác định. Một đầu của phản ứng dây chuyền được neo với một chất hỗ trợ vững chắc và các hóa chất chọn lọc quyết định những axit amin nào được liên kết vào đầu tự do. Các hóa chất thích hợp có thể được bổ xung hoặc thay đổi trong suốt quá trình phản ứng. Sau khi tổng hợp, các polypeptide được phân tách và tinh chế. Đặc biệt, do chức năng của đa phần các protein/enzyme phụ thuộc không chỉ cấu trúc bậc một, mà là cấu trúc không gian của phân tử protein, quá trình thiết kế thường được tiến hành, mô phỏng với sự trợ giúp của máy tính với các công cụ tin sinh chuyên biệt. Hiện nay, cấu trúc và chức năng của một protein tổng hợp (hóa học) hay tái tổ hợp (sinh tổng hợp) đều có thể được thiết kế thông qua các công cụ tin sinh trên máy tính hoặc sản xuất thông qua quá trình phát triển/tiến hóa định hướng không chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm, mà còn ở mức công nghiệp.

Tài liệu tham khảo

• Porter JL, Rusli RA, Ollis DL. Directed Evolution of Enzymes for Industrial Biocatalysis.Chembiochem. Feb 2016
• Golynskiy, MV. & Seelig, B., De novo enzymes: from computational design to mRNA display, Trends in Biotechnology, Vol. 28, No. 7, July 2010
• Labrou, NE. (2010). Random mutagenesis methods for in vitro directed enzyme evolution. Current Protein & Peptide Science, Vol. 11, No. 1, February 2010
• Shimizu, Y., Kuruma, Y., Ying, BW., Umekage, S. & Ueda, Cell-free translation systems for protein engineering, FEBS Journal, Vol. 273, No. 18, September 2006
• Antikainen, NM. & Martin, SF. Altering protein specificity: techniques and applications, Bioorganic & Medicinal Chemistry, Vol. 13, No. 8, April 2005
• Venkatesan, N. & Kim, BH. (2002). Synthesis and enzyme inhibitory activities of novel peptide isosteres, Current Medicinal Chemistry, Vol. 9, No. 24, December 2002
• Anthonsen, HW., Baptista A., Drablos, F., Martel, P. & Petersen SB. The blind watchmaker and rational protein engineering. Journal of Biotechnology, Vol. 36, No. 3, 1994
• Arnold, FH., Engineering proteins for non-natural environments, The FASEB Journal, Vol. 7, No. 9, June 1993