Onderzoekers van Boston College gebruikten een milde lading elektriciteit om eiwitten nauwkeurig te modificeren, een nieuw hulpmiddel dat kan worden gebruikt om nieuwe biotherapeutica en op eiwitten gebaseerde onderzoeksinstrumenten te ontwikkelen, zo meldde het team onlangs in het tijdschrift Nature Chemistry .

Het team, onder leiding van BC-hoogleraren chemie Abhishek Chatterjee en Eranthie Weerapana, ontwikkelde en optimaliseerde een nieuwe elektrochemische eiwitlabelingsreactie genaamd "eCLIC" die nauwkeurige modificatie mogelijk maakt van plaatsspecifiek geïncorporeerde 5-hydroxytryptofaan (5HTP) -residuen op veel verschillende eiwitten, waaronder volledige therapeutische antilichamen van lengte.

"We hebben deze strategie gebruikt om veel plaatsspecifieke eiwitconjugaten te genereren, waaronder een antilichaam-cytotoxisch medicijnconjugaat dat selectief kankercellen binnendringt en doodt, maar niet de niet-kankercellen", zegt Chatterjee. "Een belangrijk voordeel van eCLIC is dat de reagentia die nodig zijn voor deze methode erg goedkoop zijn:ze kosten minder dan $ 10 per gram."

Het succes van het team markeerde de eerste keer dat elektrokatalyse werd gebruikt om eiwitmodificatie op een plaatsspecifieke manier te bereiken, rapporteerden ze in hun artikel "Elektrochemische labeling van hydroxyindolen met chemoselectiviteit voor plaatsspecifieke eiwitbioconjugatie."

Eiwitten zijn grote moleculen, doorgaans samengesteld uit honderden aminozuurmonomeren, merkte Chatterjee op. Het vermogen om eiwitten op vooraf gedefinieerde plaatsen selectief te modificeren is voor veel toepassingen belangrijk. Door bijvoorbeeld giftige medicijnen covalent aan antilichamen te koppelen, is het mogelijk geworden om deze selectief aan kankercellen af ​​te leveren, wat resulteerde in zowel een verbeterde therapeutische werkzaamheid als een verminderde toxiciteit buiten het doelgebied.

Veel onderzoekstoepassingen vereisen ook de bevestiging van biofysische sondes op verschillende eiwitten. Het vermogen om de plaats van modificatie op eiwitten te definiëren is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat belangrijke eiwitfuncties niet worden geschaad, aldus Chatterjee.

"De uitdaging komt voort uit het feit dat alle eiwitten zijn gemaakt van 20 aminozuren in verschillende combinaties", zei hij. "Het identificeren van een aanpasbare functionaliteit op de gewenste plaats, die niet elders wordt herhaald, is doorgaans een uitdaging, wat het moeilijk maakt om plaatsspecificiteit te bereiken bij eiwitmodificatie."

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, probeerde het team een ​​methode te ontwikkelen om een ​​niet-natuurlijk aminozuur op elke gekozen plaats(en) van een eiwit op te nemen. Het team heeft dit bereikt door het translatiesysteem van cellen opnieuw te ontwerpen om het nieuwe aminozuur 5HTP te huisvesten.

Bovendien wilden de onderzoekers chemische reacties ontwerpen die gebruikt konden worden om dit niet-natuurlijke aminozuur selectief te modificeren in de aanwezigheid van alle natuurlijke aminozuren, aldus Chatterjee.

"Als we dit zouden kunnen doen, zouden we een algemene methode kunnen bieden om eiwitten te genereren met een ingebouwde 'hechtingshandgreep' op een vooraf gedefinieerde plaats. We waren in het bijzonder geïnteresseerd in het ontwikkelen van een reactie die elektriciteit zou gebruiken om de eiwitmodificatie te katalyseren reactie in plaats van chemische katalyse, omdat de eerste goedkoop, milieuvriendelijk en zacht voor kwetsbare eiwitten is."

Chatterjee zei dat het team een ​​ongebruikelijke uitdaging kon overwinnen toen ze voor het eerst probeerden de reactie te modelleren. Normaal gesproken beginnen onderzoekers met kleine moleculen, in dit geval 5HTP en aniline, en gaan dan verder met grote eiwitten.

Maar de eerste pogingen tot de reactie tussen 5HTP en anilines op het niveau van kleine moleculen waren rommelig, omdat de 5HTP-moleculen preferentieel met elkaar reageerden. Maar toen 5HTP werd opgenomen in een groot eiwit, kon het niet langer reageren met een ander eiwitgebonden 5HTP en reageerde het in plaats daarvan zuiver met een aniline, zo meldde het team.

"Als we bij de traditionele progressie waren gebleven – van klein naar groot – zouden we nooit eCLIC hebben nagestreefd, omdat we dachten dat het te rommelig was," zei Chatterjee. "In plaats daarvan hebben we onze reactieontwikkeling op een niet-traditionele manier uitgevoerd, rechtstreeks op een eiwit, waardoor we beseften hoe schoon en selectief het in deze omgeving was."

Om de eCLIC-strategie voor grootschalige modificatie van belangrijke eiwitdoelen verder te bevorderen, is deze technologie in licentie gegeven aan BrickBio, Inc., waarvan Chatterjee medeoprichter is. Toekomstig onderzoek zal zich richten op de ontwikkeling van de volgende generatie, plaatsspecifiek gemodificeerde, op eiwitten gebaseerde biotherapeutica en onderzoeksreagentia.

Meer informatie: Conor Loynd et al, Elektrochemische labeling van hydroxyindolen met chemoselectiviteit voor plaatsspecifieke eiwitbioconjugatie, Natuurchemie (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01375-y

Aangeboden door Boston College