Het begrijpen van de structuur en het metabolisme van cellen en levende organismen is essentieel voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen en diagnostica. De beschikbaarheid van chemische hulpmiddelen waarmee wetenschappers biomoleculen kunnen bewerken, zoals eiwitten, met resolutie op atoomniveau hebben in hoge mate bijgedragen aan de vooruitgang van de chemische biologie.

Eiwitten zijn macromoleculen die zijn opgebouwd uit een set van twintig chemisch verschillende aminozuren. Een belangrijke benadering om eiwitten te modificeren is om te reageren met het zwavelatoom in het aminozuur cysteïne. Echter, huidige methoden zijn nog steeds problematisch in termen van efficiëntie, selectiviteit, en stabiliteit van het eindproduct (het "adduct").

Nutsvoorzieningen, de laboratoria van Jérôme Waser en Beat Fierz van EPFL's Institute of Chemical Sciences and Engineering hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het modificeren van cysteïnes op peptiden en eiwitten. De methode maakt gebruik van een groep zeer reactieve organische moleculen, de ethynylbenziodoxolonen (EBX's). Wat EBX's zeer reactief maakt, is dat ze een jodiumatoom bevatten dat aan drie substituentgroepen is gebonden. Deze niet-natuurlijke situatie leidt tot een hoge reactiviteit in deze zogenaamde "hypervalente jodium"-reagentia.

Voor de eerste keer, de onderzoekers waren in staat om een ​​eenvoudig biomolecuul-EBX-adduct te genereren terwijl hun reactieve jodiumgroep in het uiteindelijke molecuul bleef. De reactie kan gemakkelijk worden uitgevoerd door een niet-deskundige onder standaard fysiologische omstandigheden.

Het eindproduct zijn eiwit-hypervalente jodiumreagenschimeren die kunnen fungeren als dubbele bevestigingspunten voor twee nieuwe chemische groepen, het openen van nieuwe mogelijkheden voor de studie van biologische processen.

"Een nieuwe functionaliteit kan worden geïntroduceerd via 'klikchemie, ' een gevestigde reactie in de chemische biologie, ", zegt Waser. "Met behulp van een palladiumkatalysator, een andere selectieve modificatie kan worden bereikt bij het reactieve jodiumatoom - wat we een 'biorthogonale' functionaliteit zouden noemen, zoals het in de natuur niet bestaat." Het introduceren van dergelijke exotische reactieve groepen in biomoleculen is momenteel een van de belangrijkste instrumenten in de chemische biologie, omdat het de studie van biologische processen mogelijk maakt zonder ze te verstoren.

De wetenschappers demonstreerden het potentieel van de methode door een diverse reeks chemische groepen in biomoleculen te introduceren. Bijvoorbeeld, de wetenschappers gebruikten de dubbele handgreep om tegelijkertijd een fluorescerende kleurstof en een fotobeschermende groep in een neuropeptide te bevestigen. Door ze te combineren, wordt de fotostabiliteit van de kleurstof verbeterd, en maakt hoge resolutie mogelijk, single-molecule beeldvorming van moleculaire interacties.

Naast peptiden, ze veranderden verder kleine eiwitten, en zelfs grote eiwit-DNA-complexen, zogenaamde nucleosomen. Terwijl nucleosomen het genoom organiseren, door ze te labelen met fluorescerende kleurstoffen, kunnen ze worden gevolgd om te ontcijferen hoe de natuur genexpressie reguleert.

"Wat we hier hebben ontwikkeld, is een nieuwe methode voor het modificeren van eiwitten op basis van fundamentele studies van chemische reactiviteit, " zegt Fierz. "We hebben het al gebruikt om histonen te modificeren, en voerden fluorescentie-experimenten uit op levende cellen. Met deze voorbeelden we hebben de basis gelegd voor een beter begrip van biologische processen."

De studie is gepubliceerd in Chemo vandaag.