La expresión de proteínas recombinantes es una de las tecnologías más importantes en la biotecnología actual. Permite la producción controlada de proteínas específicas a partir de un gen exógeno introducido en un sistema huésped.
Estas proteínas son fundamentales en investigación biomédica, desarrollo de vacunas, producción de enzimas industriales y terapias avanzadas.
Sin embargo, alcanzar una expresión eficiente, soluble y funcional de la proteína de interés (POI) implica una serie de desafíos técnicos.
La variabilidad estructural de las proteínas, las condiciones celulares del huésped y los elementos genéticos del sistema de expresión pueden generar obstáculos que comprometen el rendimiento del proceso.
Factores que afectan la expresión de proteínas recombinantes
Expresar una proteína recombinante no es un procedimiento universal. Su éxito depende de una adecuada planificación del diseño genético, la elección del sistema huésped y las condiciones experimentales.
Entre los principales desafíos se encuentran:
- Baja o nula expresión del gen recombinante.
- Formación de agregados conocidos como cuerpos de inclusión en E. coli.
- Producción de proteínas insolubles o inactivas.
- Degradación proteica por proteasas endógenas.
- Estrés celular o toxicidad por la sobreexpresión de proteínas.
- Ausencia de modificaciones postraduccionales (PTM) en sistemas procariotas.
Selección del huésped y del vector: decisión crítica
La elección del sistema huésped define el tipo de proteínas que se pueden expresar de forma eficiente. Mientras E. coli es el organismo más utilizado por su rapidez y bajo coste, tiene limitaciones en el plegamiento de proteínas complejas o en la incorporación de modificaciones postraduccionales.
Los sistemas eucariotas como levaduras, células de insecto o mamíferos ofrecen más versatilidad para proteínas más exigentes.
El vector de expresión también debe ser cuidadosamente seleccionado. Aspectos clave como el promotor, la optimización de codones, la etiqueta de purificación y los elementos reguladores influyen directamente en la eficiencia de transcripción y traducción.
Optimización de condiciones de cultivo y expresión
Un aspecto frecuentemente subestimado es el entorno físico-químico durante la expresión. Variables como temperatura, tiempo de inducción, tipo de inductor y oxigenación pueden determinar el éxito del proceso.
Para obtener proteínas solubles y bien plegadas, se recomienda:
- Inducir a temperaturas entre 15 °C y 25 °C.
- Utilizar concentraciones bajas de inductor (IPTG u otros).
- Añadir cofactores (iones metálicos, aditivos estabilizantes).
- Emplear biorreactores con control preciso, como un biorreactor de tanque agitado, que permite mantener condiciones óptimas y reproducibles para la expresión.
Tabla de problemas frecuentes y soluciones prácticas
La siguiente tabla resume los errores más comunes en la expresión de proteínas recombinantes y las soluciones recomendadas para cada uno:
| Problema observado | Posibles causas | Estrategia de solución |
| Baja expresión | Codones raros, promotor débil | Optimización de codones, cambio de promotor, mejora del vector |
| Formación de cuerpos de inclusión | Temperatura alta, mal plegamiento | Reducción de temperatura, coexpresión de chaperonas, uso de etiquetas de solubilidad |
| Insolubilidad | Regiones hidrofóbicas o desordenadas | Rediseño del constructo, eliminación de dominios no esenciales |
| Degradación proteica | Proteasas del huésped | Cepas deficientes en proteasas, adición de inhibidores |
| Toxicidad | Actividad biológica de la proteína | Promotores con regulación fina, reducción de la expresión basal |
Purificación y estabilización: etapa crítica para obtener proteínas funcionales
La purificación es un paso crucial para preservar la integridad estructural y funcional de la proteína recombinante. El diseño del protocolo debe considerar:
- La exposición adecuada de etiquetas (His-tag, GST, etc.).
- El uso de tampones específicos y detergentes suaves.
- La estabilidad frente a cambios de pH, fuerza iónica o temperatura.
En proteínas con dominios transmembrana o hidrofóbicos, los detergentes adecuados y los aditivos lipídicos pueden ser determinantes. Para mantener condiciones controladas y escalar el proceso de forma eficiente, los biorreactores piloto son una opción ideal, especialmente en entornos de investigación aplicada o desarrollo industrial.
Hacia plataformas de alto rendimiento en la producción de proteínas recombinantes
La necesidad de producir múltiples variantes proteicas en paralelo —ya sea para cribado de anticuerpos, estudios estructurales o desarrollo preclínico— ha impulsado la evolución hacia plataformas automatizadas y escalables. Estos sistemas permiten:
- La expresión paralela de bibliotecas de proteínas.
- El ajuste automatizado de condiciones de expresión.
- La recolección y análisis de resultados con mayor eficiencia.
Estas plataformas suelen integrarse con biorreactores de precisión, sistemas de análisis de calidad y herramientas de bioinformática para acelerar el descubrimiento y caracterización de proteínas funcionales.
