Met veel hard werken en een scheutje zout, Wetenschappers van Rice University hebben een stap gezet in de richting van vereenvoudiging van de productie van geneesmiddelen.

Rijstchemicus Christy Landes en haar collega's meldden in de Proceedings van de National Academy of Sciences hun strategie om op polymeermembraan gebaseerde scheiding van eiwitten efficiënter te maken.

"Het kost ongeveer $ 3 miljard om een ​​medicijn op basis van een biologisch eiwit naar de consument te brengen, ' zei Landes. 'En ongeveer de helft daarvan kan zijn omdat de zuivering met vallen en opstaan ​​gebeurt. Er worden elk jaar miljarden dollars verspild omdat er geen manier is om voorspellend een scheidingsschema voor een eiwit te ontwerpen."

Het Rice-lab ontwikkelt modellen om te voorspellen hoe het afstemmen van het gedrag van individuele eiwitten op membraaninterfaces de scheiding zal beïnvloeden.

Door hun onderzoek, ze ontdekten hoe ze zout gebruikten om twee verschillende interacties af te stemmen tussen een nylon stationaire faseondersteuning en een modeleiwit, transferrine, helpt scheidingen efficiënter te maken.

De onderzoekers richtten zich op zout, omdat "uitzouten" een veelvoorkomende stap is in chromatografie, een industriestandaard proces waarbij de elementen in een oplossing worden gescheiden, of 'gezuiverd'. De filters kunnen van natuurlijk materiaal zijn, zoals aarde, absorptiemiddelen zoals cellulose of, meer en meer, polymeren, inclusief nylon.

"Zie deze filters als tussenstops langs een snelweg, " zei co-auteur Logan Bishop, die zijn simulaties combineerde met experimenten van hoofdauteur Nicholas Moringo. Beiden zijn afgestudeerde fellows van de National Science Foundation (NSF) bij Rice.

"De eerste stop scheidt de grote platforms, de volgende halte krijgt de pick-up trucks, en uiteindelijk heb je gewoon de normale auto's die je wilt, ' zei bisschop. 'Hier, we hebben het over alle verschillende krachten die verschillende componenten scheiden als een mengsel door de kolom beweegt."

Opgelost zout creëert gesolvateerde ionen die interageren met eiwitten en deze afstemmen om ofwel te stoppen en interactie aan te gaan met de chromatografiekolom of verder te gaan door de kolom. Aan het einde van het uitzouten, het gewenste eiwit kan met een oplosmiddel uit de kolom worden geëxtraheerd en beschikbaar worden gemaakt voor verdere zuiveringsstappen.

Hoe het zout de scheiding precies beïnvloedt, is slechts één vraag die de onderzoekers hopen te beantwoorden met hun experimenten en simulaties. "Het belangrijkste dat we in dit artikel hebben gedaan, was om observaties van individuele eiwitten die op de nylon-interface interageren te combineren met een goed begrip van hoe ze precies op elkaar inwerken, " zei Landes. "Onze simulaties laten ons nu de verbeterde scheidingsefficiëntie voorspellen onder realistische omstandigheden."

De onderzoekers identificeerden concurrerende krachten op het nylonoppervlak die konden worden afgestemd door de zoutconcentratie. Waarnemingen onthulden dat gevouwen transferrine-eiwitten de neiging hadden om rond het nylon te springen, maar ze ontvouwen zich gedeeltelijk zodra ze aan het membraan zijn bevestigd. Hogere zoutconcentraties ontvouwen ze nog meer, het verminderen van het hoppen en het toestaan ​​van de membraaninteracties om de scheidingsefficiëntie te verbeteren.

"Het zout stemt de verdeling van deze twee manieren van interactie af, en het verandert ook de structuur van het eiwit op het grensvlak, " zei Landes. "Maar ze zijn elk slechts een deel van de concurrentie op microschaal die je het macroscopische effect geven. Daarom is het zo duur om het proces met vallen en opstaan ​​te optimaliseren."

"We willen een bibliotheek van oppervlaktechemicaliën in verschillende omstandigheden in één keer op een dekglaasje kunnen testen, zodat we de ideale omstandigheden voor scheiding kunnen identificeren, "Zei Moringo. "Dan kunnen we de simulatie gebruiken om te voorspellen welk combinatorisch antwoord op je chip het juiste zal zijn om de scheiding te optimaliseren."

Het zal jaren duren voordat simulaties alle mogelijke parameters bevatten, maar het is een reis die de moeite waard is om het ontwerp en de productie van medicijnen te verbeteren, zei bisschop. "Het model is niet complex genoeg, en er is een argument dat we nooit in staat zullen zijn om de complexiteit van het chromatografieproces te evenaren, " zei hij. "Maar onze hoop is dat we een voldoende goede benadering kunnen krijgen om een ​​aantal van die kosten af ​​te schaven en dichter bij een echte oplossing te komen."

Landes merkte op dat farmaceutische bedrijven hun huidige technieken onder de knie hebben, voor zover ze gaan. "Niemand weet beter dan industriële ingenieurs hoe ze een proces kunnen optimaliseren om de meeste resultaten te krijgen voor de minste hoeveelheid geld. zolang ze op het pad blijven dat ze al 70 jaar volgen, "zei ze. "Maar we gaan op een transformatief pad. Daar is wetenschappelijk onderzoek voor."