science >> Wetenschap >  >> Chemie

Nieuwe biotechtechniek versnelt onderzoek naar eiwittherapie

Een door het Noordwesten geleid onderzoeksteam voor synthetische biologie heeft technologieën gecombineerd om een ​​nieuwe biotechtechniek te ontwikkelen die belooft het onderzoek naar eiwittherapieën te versnellen die op een dag de volgende verdediging zouden kunnen worden tegen antibioticaresistente superkiemen of het volgende nieuwe medicijn.

Het begon toen Milan Mrksich, de Henry Wade Rogers hoogleraar biomedische technologie, scheikunde, en cel- en moleculaire biologie, en collega Michael Jewett, de Charles Deering McCormick Professor of Teaching Excellence en universitair hoofddocent chemische en biologische engineering, besloten om notities te vergelijken en de krachten te bundelen.

Het paar, die het Northwestern's Centre for Synthetic Biology leiden, waar Mrksich de regisseur is en Jewett de co-regisseur, vroegen zich af wat ze zouden kunnen bereiken als ze de massaspectrometrietechnologie van het Mrksich-lab zouden combineren met de expertise van het Jewett-lab op het gebied van glycosylering en het snel maken van eiwitten.

glycosylering, dat is de aanhechting van suikers aan eiwitten, speelt een cruciale rol in hoe eiwitten zich vormen en in cellen werken en hoe cellen interageren met andere cellen. Het is ook belangrijk bij de studie van ziekten en biotechnologieën.

Hun ideeën begonnen te kristalliseren toen ze de expertise op het gebied van glycosylatie-engineering van naaste medewerker Matt DeLisa verwierven, de William L. Lewis Professor of Engineering aan de Robert Fredrick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering aan de Cornell University.

Samen ontwikkelden ze een nieuw platform voor het karakteriseren en optimaliseren van sequenties voor het maken van glycoproteïnen met behulp van celvrije eiwitsynthese en massaspectrometrie.

De resulterende vooruitgang wordt beschreven in "Ontwerp van glycosyleringsplaatsen door snelle synthese en analyse van glycosyltransferasen, " gepubliceerd op 7 mei door het tijdschrift Natuur Chemische Biologie . Mrksich en Jewett zijn de corresponderende auteurs. De twee co-hoofdauteurs zijn Weston Kightlinger, een afgestudeerde student in Jewett's lab, en Liang Lin, een promovendus in het laboratorium van Mrksich.

De nieuwe techniek belooft de tijd die nodig is om verbindingen op potentiële nieuwe medicijnen te testen enorm te versnellen. Nog maar een paar decennia geleden, medicijnen waren gebaseerd op natuurlijke producten die moeizaam werden geïsoleerd en gekarakteriseerd uit planten en andere natuurlijke bronnen.

Maar toen scheikundigen leerden bibliotheken te maken van grote aantallen moleculen - die tegenwoordig in de miljoenen lopen - en toen de techniek laboratoriumautomatisering als hulpmiddel naar voren bracht, wetenschappers en ingenieurs waren in staat om binnen een paar weken snel miljoenen verbindingen te testen om goede startpunten voor de ontwikkeling van geneesmiddelen te identificeren.

Nog altijd, Mrksich legde uit, in de synthetische biologie, de cyclustijd om elke enzym-substraatinteractie te testen kan weken of maanden duren.

"We hebben het proces radicaal versneld, " zei Mrksich. "Waar onderzoekers tegenwoordig een paar honderd potentiële glycosyleringstags in een bepaalde periode kunnen evalueren, we hebben twee high-throughput-technologieën samengebracht waarmee we enkele duizenden in hetzelfde tijdsbestek kunnen evalueren." Deze tags zijn belangrijk omdat glycosylering aanwezig is in 70 procent van de eiwittherapieën die al zijn goedgekeurd of in preklinische evaluatie.

Het proces werkt door drie technieken van Northwestern-laboratoria te combineren:

  • Celvrije eiwitsynthese, Jewett's methode om eiwitten te produceren zonder levende, intacte organismen
  • Eiwitglycosylering, een specialiteit van Jewett's lab waarmee onderzoekers snel een groot aantal enzymen in reageerbuizen kunnen maken en testen
  • SAMDI (self-assembled monolayers for matrix-assisted desorptie/ionisatie) massaspectrometrie van Mrksich's lab, een supersnelle, goedkoop, en "labelvrije" methode voor het meten van biochemische activiteiten op een oppervlak

Gecombineerd met de kennis van glycoengineering uit het laboratorium van DeLisa, de gecombineerde techniek analyseert glycosylering snel en effectief.

"We hebben peptide-arrays ontwikkeld waarbij we één plaat hebben ter grootte van je hand met ongeveer 1, 500 cirkelvormige regio's erop, "Zei Mrksich. "Elk van die regio's heeft er een ander peptide-label aan vastgemaakt, en we kunnen de enzymoplossing gelijkmatig over de volledige reeks aanbrengen en elk van de peptide-tags kan vervolgens worden geglycosyleerd."

Nadat de plaat is afgespoeld, de hele array kan worden geanalyseerd met massaspectrometrie, die de hoeveelheid glycosylering van elk peptide kwantificeert.

"In een dag, we kunnen duizenden verschillende peptide-tags evalueren om de optimale te identificeren voor glycosylering waarmee we verder gaan, ' zei Mrksich.

Het resultaat is niet alleen veel sneller, maar levert ook veel gedetailleerdere gegevens op. "Onze methode stelt ons in staat om niet alleen de winnaars te kiezen, waarnaar we gewoonlijk zoeken in wetenschappelijke experimenten, maar ook de mislukkingen ' zei Jewett.

Het team noemde het proces GlycoSCORES, of karakterisering en optimalisatie van de glycosyleringssequentie door snelle expressie en screening.

DeLisa zei dat hij enthousiast was om de nieuwe technologie te gebruiken om een ​​aantal open vragen te beantwoorden over hoe verschillende glycosyleringsenzymen werken.

"Deze techniek stelt ons in staat om op dit gebied veel preciezere en wetenschappelijke vragen te stellen dan voorheen mogelijk zou zijn geweest, " zei hij. "De nieuwe kennis die wordt verkregen, zou echt het spel kunnen veranderen in termen van ons vermogen om glycoproteïnen met gewenste eigenschappen te ontwikkelen."