Neue Methode beschleunigt Proteinforschung und unterstützt die Forschung zur Behandlung von Krankheiten

Proteinkomplexe sind für die meisten lebenswichtigen Prozesse in der Zelle und im menschlichen Körper wichtig, etwa für die Energiegewinnung, das Kopieren der DNA und die Regulierung des Immunsystems.

Die Komplexe bestehen aus Gruppen verbundener Proteinketten, sogenannten Untereinheiten, und sind auch gute Ziele für Medikamente zur Behandlung von Krankheiten.

Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, sie in ihrem natürlichen, natürlichen physiologischen Zustand zu untersuchen und gleichzeitig ihre 3D-Proteinfalten zu bewahren.

Herkömmliche Methoden der Massenspektrometrie und Techniken der Strukturbiologie erfordern möglicherweise das Aufbrechen von Proteinketten in Stücke oder die Umwandlung von Proteinteilen in Kristalle.

Diese Ansätze stören nicht nur die Struktur der zusammengesetzten Proteinmoleküle, sondern erfordern auch den Einsatz erheblicher Probenmengen und das wochenlange Warten auf Ergebnisse.

Jetzt haben Forscher der Northeastern University eine neuartige Methode entwickelt, um die Struktur von Proteinkomplexen und ihre Wechselwirkungen unter nahezu nativen Bedingungen zu bewahren und sie gleichzeitig in 30 Minuten oder weniger mit kleinen Probenmengen zu analysieren.

Die assoziierte Forschungswissenschaftlerin Anne-Lise Marie und der außerordentliche Professor für Chemie und chemische Biologie Alexander R. Ivanov sagen über ihre Forschung: veröffentlicht In Fortgeschrittene Wissenschaftkönnte schließlich die Entwicklung von Medikamenten für Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson beschleunigen.

Ihre Methode nutzt eine Forschungstechnik namens Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie (CE-MS), um die Konformationsänderungen von Proteinen und Proteinkomplexen zu untersuchen

Die Forscher berichten, dass es schnell und hochempfindlich ist. „Unsere Methode minimiert den Probenverbrauch und den Probenverlust erheblich, vereinfacht und verkürzt den analytischen Arbeitsablauf“ und hält das untersuchte Protein in „nahezu physiologischen Bedingungen“, heißt es.

„Die ganze Regie ist ziemlich neuartig“, sagt Ivanov.

„Der wichtigste Fortschritt besteht hier darin, zu zeigen, dass Kapillarelektrophorese gekoppelt mit Massenspektrometrie eine Strukturanalyse großer Proteinkomplexe ermöglichen kann, die für die Durchführung vieler biologischer Funktionen unerlässlich sind“, sagt er.

„Die überwiegende Mehrheit der biologischen Reaktionen und Funktionen wird durch Proteinkomplexe ermöglicht“, sagt Ivanov.

„Veränderungen in der Konformation eines Proteins können zu struktureller Destabilisierung, Aggregation und Verlust der biologischen Aktivität führen, was zu verheerenden menschlichen Pathologien, einschließlich neurodegenerativer und onkologischer Erkrankungen beim Menschen, führen kann“, sagt er.

„Aus diesem Grund ist es wichtig, Analysetechniken zu entwickeln, die in der Lage sind, strukturelle Veränderungen von Proteinen und ihre Wechselwirkungen mit anderen Molekülen (klein und groß) in Echtzeit und in der flüssigen Phase zu erkennen, zu charakterisieren und zu überwachen, um das Geschehen nachzuahmen.“ in vivo“, sagt Marie.

Proteine ​​und Proteinkomplexe in ihrem natürlichen, nativen Zustand seien „bessere Vertreter biologischer Systeme“.

Bei der Massenspektrometrie werden Ionendetektionssysteme und andere Werkzeuge verwendet, um verschiedene Moleküle in einer biologischen oder klinischen Probe zu identifizieren und zu quantifizieren.

Die Hinzufügung der Kapillarelektrophorese ermöglicht es Forschern auch, Moleküle, einschließlich Proteine, Kohlenhydrate und Nukleotide, effizient zu trennen, indem sie sie in eine Lösung eintauchen und in eine Glaskapillare ziehen, die weniger als ein menschliches Haar im Durchmesser hat.

Dies ermöglicht ihre Trennung anhand der Ladung und Größe der Moleküle unter Hochspannung vor der massenspektrometrischen Analyse, sodass die Forscher sie bei der Interaktion mit anderen Molekülspezies beobachten können.

In dieser Studie untersuchten Marie und Ivanov die Wechselwirkungen eines großen Proteinkomplexes mit Nukleotiden, Metallionen, Proteinsubstraten und anderen Proteinkomplexen.

„Wir konnten auch die Mutationen, die Veränderungen in der Aminosäuresequenz, die wir gezielt eingeführt haben, genau bestimmen“, sagt Ivanov.

„Viele Krankheiten werden durch Mutationen verursacht. Hier zeigen wir, dass wir tatsächlich mit einem riesigen, nativen Proteinkomplex beginnen und bis zur Charakterisierung seiner Primärstruktur vorgehen und geringfügige Störungen der Proteinsequenz bis hin zu Punktmutationen finden können“, sagt er .

Marie sagt, dass die Absicht der entwickelten nativen CE-MS-Technik, die an der Schnittstelle von analytischer Chemie, Proteomik und Strukturbiologie liegt, nicht darin besteht, „mit herkömmlichen Techniken der Strukturbiologie wie Röntgenkristallographie oder Kryo-Elektronenmikroskopie zu konkurrieren“.

„Wir glauben, dass wir eine relativ hohe Durchsatzrate, eine robuste und effiziente Komplementärtechnik entwickelt haben, die äußerst empfindlich ist“, sagt sie. „Die benötigten Proteinmengen sind im Vergleich zu herkömmlichen biochemischen/biophysikalischen Techniken etwa 10.000-fach geringer.“

Die Probenmengen entsprechen etwa 200 bis 300 kleinen Zellen, „im Vergleich zu vielen Millionen und Milliarden, die in herkömmlichen Studien benötigt werden“, sagt Ivanov.

„Außerdem kann es Wochen dauern, bis konventionelle Techniken der Strukturbiologie Ergebnisse liefern, während CE-MS-Analysen weniger als 30 Minuten dauern können“, sagt Marie und fügt hinzu, dass der neue Ansatz „es uns ermöglichte, die dynamischen Veränderungen von Proteinen in Lösung und in der Realität zu verfolgen.“ Zeit.“

„Die Methode könnte dazu beitragen, die Wechselwirkungen zwischen potenziellen Medikamentenkandidaten und biologisch kritischen Proteinen zu untersuchen, um menschliche Pathologien anhand winziger Probenmengen zu erkennen, zu untersuchen, zu überwachen und zu behandeln“, sagt Marie.

„Im Großen und Ganzen könnte die Methode dazu beitragen, eine Vielzahl von Fragen in biomedizinischen und klinischen oder grundlegenden biologischen Anwendungen zu beantworten“, sagt Ivanov.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von Northeastern Global News erneut veröffentlicht news.northeastern.edu.