Een team van wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Oxford heeft een belangrijke doorbraak bereikt in het detecteren van wijzigingen in eiwitstructuren. De methode, gepubliceerd in Nature Nanotechnology , maakt gebruik van innovatieve nanoporietechnologie om structurele variaties op het niveau van één molecuul te identificeren, zelfs diep in lange eiwitketens.

Menselijke cellen bevatten ongeveer 20.000 eiwitcoderende genen. Het werkelijke aantal eiwitten dat in cellen wordt waargenomen, is echter veel groter:er zijn meer dan 1.000.000 verschillende structuren bekend. Deze varianten worden gegenereerd via een proces dat bekend staat als post-translationele modificatie (PTM), dat plaatsvindt nadat een eiwit uit DNA is getranscribeerd.

PTM introduceert structurele veranderingen zoals de toevoeging van chemische groepen of koolhydraatketens aan de individuele aminozuren waaruit eiwitten bestaan. Dit resulteert in honderden mogelijke variaties voor dezelfde eiwitketen.

Deze varianten spelen een cruciale rol in de biologie, door nauwkeurige regulering van complexe biologische processen binnen individuele cellen mogelijk te maken. Het in kaart brengen van deze variatie zou een schat aan waardevolle informatie aan het licht brengen die ons begrip van cellulaire functies radicaal zou kunnen veranderen. Maar tot op heden is het vermogen om uitgebreide eiwitinventarissen te produceren een ongrijpbaar doel gebleven.

Om dit te ondervangen heeft een team onder leiding van onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Oxford met succes een methode ontwikkeld voor eiwitanalyse op basis van nanoporie DNA/RNA-sequencingtechnologie. Bij deze aanpak vangt een gerichte waterstroom 3D-eiwitten op en ontvouwt deze tot lineaire ketens die door kleine poriën worden gevoerd, net breed genoeg om er een enkel aminozuurmolecuul doorheen te laten.

Structurele variaties worden geïdentificeerd door het meten van veranderingen in een elektrische stroom die over de nanoporie wordt aangelegd. Verschillende moleculen veroorzaken verschillende verstoringen in de stroom, waardoor ze een unieke signatuur krijgen.

Het team demonstreerde met succes de effectiviteit van de methode bij het detecteren van drie verschillende PTM-modificaties (fosforylering, glutathionylatie en glycosylatie) op het niveau van één molecuul voor eiwitketens met een lengte van meer dan 1.200 residuen. Deze omvatten modificaties diep in de sequentie van het eiwit. Belangrijk is dat de methode geen gebruik van labels, enzymen of extra reagentia vereist.

Volgens het onderzoeksteam zou de nieuwe eiwitkarakteriseringsmethode gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in bestaande draagbare nanoporie-sequencing-apparaten, zodat onderzoekers snel eiwitinventarissen van afzonderlijke cellen en weefsels kunnen opbouwen. Dit zou point-of-care-diagnostiek kunnen vergemakkelijken, waardoor de gepersonaliseerde detectie mogelijk wordt van specifieke eiwitvarianten die geassocieerd zijn met ziekten, waaronder kanker en neurodegeneratieve aandoeningen.

Professor Yujia Qing (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), bijdragende auteur van het onderzoek, zei:“Deze eenvoudige maar krachtige methode opent talloze mogelijkheden. In eerste instantie maakt het onderzoek van individuele eiwitten mogelijk, zoals die welke betrokken zijn bij specifieke ziekten. Op de langere termijn heeft de methode het potentieel om uitgebreide inventarissen van eiwitvarianten in cellen te creëren, waardoor diepere inzichten in cellulaire processen en ziektemechanismen worden ontsloten."

Professor Hagan Bayley (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), bijdragende auteur en mede-oprichter van Oxford Nanopore Technologies, voegde hieraan toe:“Het vermogen om post-translationele modificaties en andere eiwitvariaties op het niveau van één molecuul te lokaliseren en te identificeren, houdt een enorme belofte in. voor het bevorderen van ons begrip van cellulaire functies en moleculaire interacties kan ook nieuwe wegen openen voor gepersonaliseerde geneeskunde, diagnostiek en therapeutische interventies."

Dit werk werd uitgevoerd in samenwerking met de onderzoeksgroep van mechanobioloog Sergi Garcia-Maynes aan King's College London en het Francis Crick Institute.

Meer informatie: Pablo Martin-Baniandres et al, Enzymloze nanoporiëndetectie van post-translationele modificaties binnen lange polypeptiden, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01462-8

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Universiteit van Oxford