Hurtig screeningsmaskine kan læse og adskille proteinsekvenser

De strukturelle egenskaber af proteiner, der i sidste ende kan blive vigtige materialer til fremstilling og medicin, afsløres af en ny optisk teknik, der arbejder hurtigt på at sortere gennem aminosyresekvenser selv inde i levende bakterier, ifølge et team af ingeniører.

"Der er fortsat et presserende behov for hurtige og effektive teknikker, der kan screene egenskaberne af et stort antal proteinsekvenser med minimal prøvevolumen eller i levende celler, " rapporterer forskerne online i tidsskriftet analytiker .

Naturligt forekommende proteiner som silke, kollagen, uld og andre naturlige fibre er en industri på 40 milliarder dollars.

"Der er 30 til 40 naturlige strukturelle proteiner, som vi kender til, " sagde Melik C. Demirel, Pierce Development Professor og professor i ingeniørvidenskab og mekanik, Penn State. "Silke er meget stærkt, men når den lægges i vand, mister den sin styrke. Blæksprutte-ringtænderproteiner har lignende egenskaber, men fordi de udviklede sig i et vådt miljø, har ikke det problem."

At finde varianter af naturligt forekommende proteiner med specifikke egenskaber er kun én tilgang.

"Problemet er, når vi ser på mekaniske egenskaber, er der et område, hvor ingen naturlige materialer har disse egenskaber, " sagde Demirel. "Enten skabte naturen ikke proteiner med disse egenskaber, eller også forsvandt de." De proteiner, som interesserer Demirel og hans team er både naturlige og syntetiske. De er semikrystallinske, og de egenskaber, som teamet leder efter, kan karakteriseres ved deres krystallinske struktur, men krystallinsk struktur ændres, når et materiale opvarmes. Standard flowcytometri lasere producerer for meget varme til denne brug.

"Problemet med lys er, at når du lyser det på en genstand, objektet varmes til sidst op, " sagde Demirel. "Hvis vi prøver at måle krystallinitet, vi skal gøre det hurtigt nok, så det ikke bliver varmet op og ændrer den krystallinske struktur."

Forskerne laver flowcytometri, men bruger femto- og pico-sekund-lasere til at inspicere proteinerne, når de flyder forbi i en enkelt fil. De valgte proteiner kan derefter adskilles fra resten. Laserne, cykler så hurtigt som de gør, opvarm ikke prøverne hurtigt, så forskerne kan søge efter den information, de har brug for, før prøven varmes op, og strukturen ændres. De bruger en proces kaldet tidsdomæne termotransmission, som muliggør screening af proteiner på millisekunder og ikke dræber levende celler.

Udover naturligt forekommende proteiner, forskerne ser på syntetiske proteiner, specielt tilpasset fra blæksprutte-ringtandproteiner. Bakterier producerer disse proteinstrenge, så en ikke-dødelig metode til at kategorisere dem er nødvendig. Denne proof-of-concept forskning viste, at denne metode virker.

Demirel modtog en nylig bevilling, "High-throughput screening af evolutionære biologiske materialer, " fra Forsvarsuniversitetets forskningsinstrumenteringsprogram for at skabe en maskine, der kan gøre dette i større mængder. DURIP-midler kan kun bruges til anskaffelse af større udstyr til at øge nuværende eller til at udvikle nye forskningskapaciteter til støtte for relevant forskning fra Forsvarsministeriet. Blæksprutte ring tænder proteiner, fordi de fungerer i vand, kan være af betydning i havmiljøet.