Onderzoekers van het California Institute of Technology hebben een aanpak ontwikkeld om een ​​groot struikelblok bij het testen van nieuwe medicijndoelen te overwinnen. Het onderzoek wordt gerapporteerd in een artikel van 24 november in de Tijdschrift voor biologische chemie .

Eiwitten die zijn ingebed in celmembranen zijn potentiële doelwitten voor geneesmiddelen om een ​​aantal ziekten te behandelen, van infectieziekten tot kankers. Membraaneiwitten (waaronder transporters, kanalen, en receptoren) zijn het doelwit van bijna 70 procent van de door de FDA goedgekeurde geneesmiddelen.

Echter, het is notoir moeilijk voor onderzoekers om in het laboratorium membraaneiwitten in voldoende hoeveelheden te produceren om ze te kunnen zuiveren en experimenten uit te voeren met potentiële medicijnen. Professoren Thomas F. Miller III en William M. Clemons Jr. van de afdeling Scheikunde en Chemische Technologie van Caltech vroegen zich af of er een manier was om onderzoekers die dit probleem ervaren te helpen.

"Onze motivatie voor dit project is echt geboren uit frustratie over dit algemene probleem, dat is dat membraaneiwitten erg moeilijk op schaal te produceren zijn voor experimentele doeleinden, ' zei Clemons.

Om interessante eiwitten te produceren, onderzoekers voegen het gen dat voor het eiwit codeert meestal toe aan een cellijn van een laboratoriumwerkpaard, zoals E. coli; dit proces wordt heterologe overexpressie van een eiwit genoemd. Maar membraaneiwitten worden meestal in slechts zeer kleine hoeveelheden tot overexpressie gebracht, om redenen die tot nu toe slecht werden begrepen. Individuele onderzoekers besteden soms jaren aan het aanpassen van hun eiwitten op een manier waardoor ze efficiënter tot expressie worden gebracht in het laboratorium.

"Mensen jagen gewoon rond in het donker om hopelijk iets te vinden dat beter werkt, zodat ze genoeg eiwitten kunnen krijgen om hun studies uit te voeren, Miller zei. "Er zijn nieuwe tools nodig om dat rationeel te verbeteren, om het op een meer doelgerichte manier te doen."

Om te zien of er algemene principes waren die richting zouden kunnen geven aan pogingen om de expressie van membraaneiwitten te verbeteren, Clemons en Miller en hun afgestudeerde studenten Michiel J.M. Niesen en Stephen S. Marshall concentreerden zich op een specifieke stap in het proces:het punt waarop een cel daadwerkelijk een nieuw gesynthetiseerd eiwit in het membraan plaatst.

De efficiëntie van het inbrengen - dat wil zeggen, de fractie van de tijd dat een eiwit correct in het membraan wordt ingebracht - hangt af van de aminozuurvolgorde van het eiwit. Het team ontwikkelde een computationele simulatiemethode om te voorspellen hoe een verandering in de sequentie de insertie-efficiëntie zou beïnvloeden.

In de nieuwe studie het team testte hoe deze voorspelde efficiëntie verband hield met eiwitexpressie in het laboratorium. Het team produceerde systematisch veel varianten van een bepaald eiwit en gebruikte het algoritme om de efficiëntie van de membraaninsertie van elke variant te voorspellen. Vervolgens kwantificeerden de onderzoekers hoeveel eiwit er werd geproduceerd. Zoals ze hadden gedacht, verbeterde insertie-efficiëntie correleerde met verbeterde eiwitopbrengst.

Nu kunnen onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van een bepaald membraaneiwit deze simulatietools gebruiken om te voorspellen welke veranderingen ze moeten aanbrengen in hun eiwitsequentie om het membraaneiwit in het laboratorium te produceren. Er zijn kanttekeningen:als een bepaald eiwit in een bepaald celtype onderhevig is aan inefficiënties bij andere stappen in zijn synthese naast het inbrengen van het membraan, dan kan de nieuwe methode niet helpen. Maar de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de methode een uitweg biedt voor veel membraaneiwitonderzoekers die worstelen om hun eiwitten tot expressie te brengen.

"We geloven dat de tools die we hier hebben ontwikkeld het potentieel hebben om de expressie van membraaneiwitten echt te revolutioneren, "Zei Clemons. "Er zijn nog steeds dingen die we moeten doen om dat volledig te beseffen, maar dit document laat zien dat het potentieel er is."

De onderzoekers werken nu samen met anderen om deze tools aan het werk te zetten.

"Er zijn veel membraaneiwitdoelen die van echt belang en echte waarde zijn voor farmaceutische en medicijnontwerpdoeleinden, Miller zei:"Als we mensen kunnen helpen door een ongrijpbaar doelwit binnen handbereik te brengen, het zou een grote overwinning zijn."