Wissenschaftler entwickeln eine einfachere und kostengünstigere Technologie zur Proteomanalyse

Proteine ​​sind Arbeitstiere, die die meisten biologischen Funktionen in unseren Zellen ausführen. Während die Gene, die wir von unseren Eltern erben, unser sogenanntes Genom, festgelegt sind und normalerweise unser ganzes Leben lang unverändert bleiben, verändern sich die Proteine ​​in unserem Körper ständig, wenn wir älter werden, unter verschiedenen Gesundheitsbedingungen und bei Stimulation, beispielsweise durch medizinische Behandlung.

Dadurch wird die Überwachung von Proteinen und ihren molekularen Veränderungen – die Proteomik – für die Arzneimittelforschung, die Krankheitsdiagnose und das Gesundheitsmanagement von Nutzen sein. Sie könnte eines Tages auch die Tür zur Präzisionsmedizin öffnen.

Yanbao Yu, Direktor der Proteomik im Fachbereich Chemie und Biochemie der University of Delaware, hat eine vereinfachte Methode zur Vorbereitung von Proteinproben für die Proteomikanalyse entwickelt, die schnell, benutzerfreundlich, kostengünstig und universell mit anderen Teilen des Prozesses kompatibel ist.

Yu und seine Mitarbeiter berichteten von der Wirksamkeit der zum Patent angemeldeten UD-Methode in einer Papier veröffentlicht am 11. Juni in der Zeitschrift Methoden für Zellberichte.

Ein Wort zur Proteomik

Wenn Forscher die Anzahl oder Zusammensetzung der Proteine ​​in unseren Zellen kennen, können sie besser verstehen, was zu einem bestimmten Zeitpunkt oder sogar im Laufe der Zeit in unserem Körper vor sich geht. Beispielsweise kann das Vorhandensein oder Fehlen bestimmter Proteine ​​ein Indikator für die Biologie einer Person sein.

„Einfach gesagt: Wenn ein Protein nur vorhanden ist, wenn Menschen krank sind, dann kann dieses Protein als Indikator oder Biomarker für eine Krankheit verwendet werden“, sagte Yu.

Proteomik-Wissenschaftler wie Yu verwenden ein hochempfindliches Instrument namens Massenspektrometer, um die Identität bestimmter Proteine ​​zu bestimmen. Die Verarbeitung von Proben von Blut, Gewebe oder anderem biologischen Material, um sie kompatibel und für die Massenspektrometrie lesbar zu machen, ist ein kritischer Teil des Prozesses.

Hier kommt Yus Arbeit ins Spiel.

Eine einfachere Methode mit guten Ergebnissen

Yus Methode vereinfacht die Probenvorbereitung auf eine Weise, die effizient, effektiv und wirtschaftlich ist, ein Dreierpack, den er E3 nennt. Er hat die zum Patent angemeldete Methode durch UDs Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP) schützen lassen. CDS Analytical, LLC, ein führender Anbieter von Verbrauchsmaterialien und Instrumenten für die Probenvorbereitung in der Proteomik, besitzt eine exklusive Lizenz für die vollständigen kommerziellen Rechte an der zum Patent angemeldeten UD-Technologie.

In Kombination mit der Empore-Membran von CDS Analytical bietet die Methode im Vergleich zu anderen Produkten auf dem Markt eine einfach zu verwendende und kostengünstigere Plattform zur Vorbereitung von Proben für Tests. Die Plattformtechnologie kann für mehrere Probenentnahmegeräte wie Filter, Pipetten, Kartuschen oder Platten verwendet werden.

„Dies ist eine wirklich einfach anzuwendende Technik“, sagte Yu. „Man braucht keinen Doktortitel, um sich in der Proteomik sicher genug zu fühlen. Wir haben die Methode sehr robust und zuverlässig gemacht, sodass jeder Laborwissenschaftler hochwertige Proteinpräparate herstellen kann.“

Produkte, die zur Vorbereitung dieser Art von biologischen Proben verwendet werden, sind normalerweise teuer. Eines der Ziele war es, sie erschwinglicher zu machen als das, was derzeit auf dem Markt erhältlich ist, und den Preis von Proteomik-Experimenten näher an die Kosten von Genomik-Experimenten heranzubringen, wo dies einen großen Einfluss auf die Präzisionsmedizin und die Gesundheitskosten haben kann.

„Die Verarbeitung steht im Mittelpunkt unserer Technologie“, sagte Yu. „Wenn wir jetzt die Kosten für die notwendigen chemischen Reagenzien und Verbrauchsmaterialien senken können, kann dies in Zukunft allen Patienten zugute kommen, wenn diese Tests mit Massenspektrometrie durchgeführt werden können.“

Yu und seine Kollegen führten zunächst Benchmarks verschiedener Formate und Probentypen durch und validierten die Leistung der Plattformtechnologie anhand einer Vielzahl von Proben, von komplexen bis hin zu Proben mit einer geringen Anzahl von Zellen. Das Forschungsteam untersuchte die Leistung der Plattform zunächst anhand von E. coli, einem Bakterium mit einem gut bekannten Proteom.

Weitere Studien bestätigten die Nützlichkeit der Technologie für die Vorbereitung aller Arten biologischer Materialproben für die Analyse, von Feuchtgebietsbakterien bis hin zu Pilzen, Speichel, Gewebe oder menschlichen Zellen. Die Gesamtdaten zeigten, dass die von UD entwickelte Methode und die daraus resultierende Technologieplattform vielen bestehenden Methoden gleichwertig oder sogar überlegen sind.

CDS Analytical hat die neuartigen Produkte zur Probenvorbereitung für die Proteomik kommerzialisiert und im Dezember 2023 mit dem Verkauf begonnen.

„Wir freuen uns über die Möglichkeit, diese revolutionäre Technologie der University of Delaware für die Proteomik-Verdauung und damit verbundene Schritte zu kommerzialisieren und so den Engpass bei der Proteomik-Probenvorbereitung zu beseitigen“, sagte Guotao Lu, Divisionsleiter von CDS Analytical Empore.

„Zusammen mit der StageTips-Technologie der CDS Analytical Empore-Reihe und dem MiniLab 5000 Liquid Handler ist es unser Ziel, eine Komplettlösung für die Probenvorbereitung in der Proteomik von Zellen bis hin zur LC-MS zu entwickeln, um die Effizienz der Proteomik-Analyse zu verbessern und Kosten zu sparen und es Wissenschaftlern zu ermöglichen, biologische Systeme effektiver zu erforschen und zu verstehen. Wir freuen uns, zu dieser revolutionären Technologie der Proteomik beitragen zu können, mit dem Ziel, wissenschaftliche Durchbrüche in der tiefen mechanistischen Humanbiologie zu beschleunigen, um den ungedeckten medizinischen Bedarf der Patienten zu decken.“

Beantwortung kritischer biologischer Fragen

Die Molekularbiologin Mona Batish von der UD erforscht die Biologie von RNA, einzelsträngigen Ribonukleinsäuremolekülen, die von der DNA in unserem Körper gebildet werden. Batish verwendete Yus Methode, um RNA-bindende Proteine ​​(RBP) zu identifizieren, die mit einer Art nicht-kodierender RNA interagieren, die in unseren Zellen vorkommt und als zirkuläre RNA bezeichnet wird.

Zirkuläre RNA kann über lange Zeiträume im Körper verbleiben, wo sie die Genexpression regulieren, als Tumorsuppressor wirken und Resistenzen oder Anfälligkeiten gegenüber Dingen wie Chemotherapie verursachen kann.

RBPs, so Batish, seien der Schlüssel zu vielen zellulären Prozessen und würden letztlich dabei helfen zu bestimmen, wo sich RNA-Moleküle in einer Zelle ansiedeln und ihre Funktion erfüllen können. Sie wollte besser verstehen, wie zirkuläre RNA an RBPs bindet, was entscheidend ist, um den potenziellen Nutzen zirkulärer RNAs als Biomarker oder therapeutische Ziele für Krankheiten vollständig zu verstehen.

„Es ist mühsam, RNA-bindende Proteine ​​zu finden, insbesondere wenn sie nur in geringer Menge vorhanden sind, aber Yanbaos Technologie hat uns geholfen, dieses Problem zu lösen und hat uns wirklich gute Zieldaten geliefert“, sagte Batish. „Sie ist außerdem sehr reproduzierbar, was der wichtigste Faktor ist, wenn wir über neue biologische Erkenntnisse sprechen. Mit dieser neuen Technologie haben wir im Vergleich zu dem, was wir in der Vergangenheit getan haben, eine sehr gute Konsistenz zwischen den Proben festgestellt.“

Wirksam für Umweltproben in begrenzter Menge

Die UD-Geologin Clara Chan und Jessica Keffer, eine assoziierte Wissenschaftlerin in ihrem Labor, arbeiten mit eisenoxidierenden Bakterien, die Rost produzieren, Mineralien mit vielen wichtigen Umweltfunktionen. Diese eisenoxidierenden Bakterien kommen im Boden, in Feuchtgebieten, Wasseraufbereitungssystemen, Strandablagerungen und sogar auf dem Meeresgrund vor.

Die Forscher möchten verstehen, welche Proteine ​​diese eisenoxidierenden Bakterien zur Bildung der Rostmineralien verwenden, aber die Organismen sind schwierig zu kultivieren und zu analysieren.

Eine frühere Proteomikstudie des Chan-Labors konnte insgesamt nur sehr wenige Proteine ​​nachweisen, sodass nur begrenzte Daten zur Verfügung standen. Keffer verwendete zuvor ein Detergenz, um die Zellen aufzubrechen und die Proteine ​​und andere darin enthaltene Stoffe freizugeben. Dieser Vorgang wird als Zelllyse bezeichnet. Bei dieser Methode kann es jedoch zu Probenverlusten kommen, wenn die Zellen nicht richtig aufbrechen oder wenn das Detergenz negative Auswirkungen auf das Protein hat, das man gewinnen möchte. Die Verwendung einer Zentrifuge zum Sammeln der Zellen durch Hochgeschwindigkeits-Drehen war ebenfalls keine Option.

Das ist ein weit verbreitetes Problem. Die Minimierung des Probenverlusts bei schwer zu beschaffenden Proben ist eine zentrale Herausforderung, egal ob Forscher mit biologischen oder Umweltproben arbeiten.

„Proteine ​​können leicht an Kunststoffen adsorbieren oder haften bleiben. Mehr Pipettieren und Übertragen von Flüssigkeiten bedeutet also mehr Probenverlust“, sagte Yu. „Idealerweise möchte man solche wertvollen Proben in einem kleinen Volumen in einem einzigen Gerät verarbeiten.“

In dem Artikel demonstriert Yu anhand von Proof-of-Principle-Daten mit einigen Tausend Zellen, dass dies mit Verbesserungen der von UD entwickelten Methode möglich ist.

Um dieses Problem für Keffer zu lösen, schlug Yu vor, die Zelllyseschritte zu überspringen und stattdessen die verbesserte Version der Technologieplattform seines Teams zu verwenden, um die Reaktionen und Verarbeitung direkt in der Zelle durchzuführen.

Mit der von UD entwickelten Methode konnte Keffer eine große Anzahl von Peptiden und Proteinen aus einem kleineren Probenvolumen gewinnen, als sie je zuvor gearbeitet hatte. Dies ist eine vielversprechende Entwicklung, da sie bedeutet, dass sie in zukünftigen Studien nicht mehr so ​​viele Zellen züchten muss, um qualitativ hochwertige Daten zu erhalten.

„In dem aktuellen Datensatz, mit dem ich arbeite, haben wir etwa 78 % der insgesamt vorhergesagten Proteine ​​unseres Organismus nachgewiesen. Das sind mehr Proteine, als wir jemals bei früheren Versuchen gesehen haben“, sagte Keffer. „Die Daten waren außerdem von sehr hoher Qualität. Als wir die Studien wiederholten, waren die Daten sehr ähnlich, was wichtig ist, damit wir Vertrauen in das haben, was wir sehen.“

Informationen dieser Art können dazu beitragen, das Wissen der Forscher darüber zu erweitern, ob andere Organismen über die Fähigkeit zur Rostbildung verfügen, oder zu Technologien führen, die diese Proteine ​​nutzen, um gewünschte Umweltveränderungen herbeizuführen oder neue Materialien herzustellen.

Chan bezeichnete die neue Technologieplattform als vielversprechend.

„Die Fähigkeit, die Proteine ​​und die tatsächliche Menge der vorhandenen Proteine ​​zu erkennen, hilft uns, Rückschlüsse auf ihr Verhalten zu ziehen“, sagte sie. „Wenn uns das in Kulturen gelingt, die nicht sehr gut wachsen, können wir vielleicht in die Umwelt gehen und ein vollständigeres Bild davon erhalten, was passiert, als es uns die aktuelle Umweltproteomik liefern kann.“

Zu den nächsten Schritten von Yu in dieser Arbeit gehören die Anwendung der Technologie auf weitere biologische Systeme und die Beantwortung von Fragen, die für die menschliche Gesundheit relevanter sind, wie etwa Virusinfektionen und Krebs.

Yu hofft, dass die Produkte in der Zukunft von Forschern in der Proteomik-Community und möglicherweise auch von Klinikern oder medizinischem Personal übernommen und verwendet werden, um tägliche Diagnosen und Screenings auf einfache und konsistente Weise durchzuführen.