Onderzoekers van het New Jersey Institute of Technology hebben in samenwerking met de Ohio University en Merck &Co. Inc. onlangs een nieuwe efficiënte methode ontwikkeld voor gerichte eiwitanalyse - een methode die volgens hen de processen voor het testen van ziekten zou kunnen versnellen, ontdekking van geneesmiddelen en ontwikkeling van vaccins.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Analytische scheikunde , benadrukt de nieuwe coulometrische massaspectrometrische (CMS) benadering van het team voor het bepalen van de hoeveelheid eiwitten in biologische monsters, mogelijk nieuwe deuren openen voor het verkennen van eiwitten in het menselijk lichaam die alleen in lage niveaus tot expressie kunnen worden gebracht, maar die belangrijke biologische functies of rollen kunnen vervullen als biomarkers voor ziekten, geneesmiddeldoelen of therapeutische antilichamen.

Onderzoekers zeggen dat de nieuwe op massaspectrometrie en elektrochemie gebaseerde benadering - in staat om een ​​spectrum van kleine eiwitten nauwkeurig te kwantificeren tot grote monoklonale antilichaamgeneesmiddelen - een vooruitgang is ten opzichte van de huidige methoden op het gebied van absolute eiwitkwantificering, die typisch tijdrovende en kostbare voorbereiding van gesynthetiseerd standaardmateriaal voor analyse vereisen.

"Meting van de moleculaire veranderingen in ziektegerelateerde processen en paden is van cruciaal belang voor ons begrip van pathogenese en ontdekking van nieuwe biomarkers voor diagnose en behandeling van ziekten, " zei Hao Chen, hoogleraar bij de afdeling Scheikunde en Milieuwetenschappen van het NJIT, en de corresponderende auteur van het artikel. "Met onze nieuwe methode we hebben aangetoond dat we een reeks biomoleculen nauwkeurig en snel kunnen kwantificeren."

"Deze aanpak zou een reeks van biowetenschappelijk onderzoek ten goede kunnen komen, waaronder de bestrijding van de COVID-19-pandemie, bijvoorbeeld, omdat het zou kunnen worden gebruikt om verschillende antilichamen van patiënten tot het infectiestadium sneller te kwantificeren en om de ontwikkeling van vaccins te ondersteunen, ' voegde Chen eraan toe.

In proteomica, massaspectrometrie-analyse kan onderzoekers een manier bieden om duizenden eiwitten in een enkel experiment te kwantificeren, onder verschillende omstandigheden of stimuli. Het kan ook worden gebruikt om details te ontdekken over hoe bepaalde eiwitten functioneren, interageren en veranderen in de loop van de tijd in gezonde en zieke celtoestanden, en kan meer onthullen over niveauveranderingen van antilichamen die door het immuunsysteem worden geproduceerd om antigenen te bestrijden, zoals virussen of bacteriën.

Pengyi Zhao, een doctoraat onderzoeker in Chen's lab en eerste auteur van het artikel, zegt dat eiwitkwantificering meestal is gedaan door middel van vloeistofchromatografie-massaspectrometriemethoden waarbij synthetische isotoop-gelabelde peptiden worden bereid. Deze gelabelde peptiden worden gewoonlijk in bekende concentraties aan monsters toegevoegd om de hoeveelheid van een van belang zijnd eiwit te helpen bepalen op basis van de intensiteiten van de met het eiwit geassocieerde peptiden ten opzichte van de toegevoegde standaarden. "De kosten en tijd die nodig zijn om deze isotoop-gelabelde peptidestandaarden te synthetiseren, is een groot probleem dat kwantitatieve analyse in onderzoek en medicijnontwikkeling belemmert, " legde Zhao uit.

Chen zegt dat de nieuwe CMS-aanpak van het team in plaats daarvan eiwitten kwantificeert op basis van de elektrochemische handtekening die wordt geproduceerd tijdens massaspectrometrie-analyse. "Bij deze methode absolute eiwitkwantificering is gebaseerd op de elektrochemische oxidatie van een surrogaatpeptide van doeleiwit in combinatie met massaspectrometrische meting van de oxidatieopbrengst ... deze doorbraak opent een nieuwe deur om veel eiwitten te onderzoeken waarvoor geen standaard beschikbaar is voor analyse."

Het team demonstreerde hun nieuwe methode door verschillende eiwitten te analyseren, zoals modeleiwitten β-caseïne en apomyoglobine. In samenwerking met de onderzoeksgroep van Yong-Ick Kim bij NJIT, ze hebben ook met succes een belangrijk eiwit gekwantificeerd dat betrokken is bij de circadiane klok, genaamd KaiB. Het team gebruikte tyrosinebevattende peptiden als surrogaatpeptiden voor kwantificering, het vinden van de resultaten van de CMS-analyse die qua nauwkeurigheid vergelijkbaar zijn met de resultaten die in het algemeen worden geproduceerd door traditionele isotopen-labelingsmethoden.

"Momenteel, door deze proof-of-concept hebben we aangetoond dat deze methode verschillende eiwitten nauwkeurig kan kwantificeren, van apomyoglobine tot therapeutische antilichamen, "zei Chen. "Omdat onze methode geen normen nodig heeft, het zou een grootschalige absolute kwantificeringsanalyse van eiwitten in bloed mogelijk maken, weefsels, of organen, waarvoor anders duizenden dure, met isotoop gemerkte peptidestandaarden nodig zouden zijn. In de volgende stappen, we zullen deze nieuwe methode toepassen voor grootschalige eiwitkwantificering in verschillende biologische monsters, voor de ontdekking van ziektebiomarkers."