Kroppen er afhængig af tusinder af sukker -proteinkomplekser for at forblive sund

Over to uger i 2004, Song Zhiwei oplevede en langsom død af en koloni af celler. Sang, en bioingeniør ved A*STAR Bioprocessing Technology Institute (BTI), havde badet en tallerken med ovarieceller fra kinesisk hamster (CHO) med lektin, et giftigt protein, der stammer fra planter. Derefter observerede han, at millioner af celler skrumpede til et dusin overlevende. De så gennemsnitlige ud, men Song vidste, at de havde superkræfter. Hemmeligheden var skjult i sødningen.

Sukker er afgørende for livet. Blandt de vigtigste sukkerklasser er dem, der er kemisk knyttet til proteiner. Disse glykoproteiner er involveret i alt fra at genkende immunsystem invaders til at smøre membraner og stimulere skjoldbruskkirtlen. De giver også næring til en blomstrende medicinalindustri - mange husholdningsmedicin indeholder glykoproteiner, og biotekvirksomheder investerer betydelige ressourcer i at optimere sukkeret af disse proteiner for at forbedre deres bioaktivitet og terapeutiske styrke.

Lectin er kendt for at binde til sukker, der hænger i enderne af glycoproteiner. I Songs eksperiment, kun mutante CHO -celler, der ikke producerede disse bindende sukkerarter, kunne overleve lektinbehandlingen. Denne tilgang til at 'se hvad der klæber' er en etableret metode til at identificere mutanter, der efterfølgende kan masseproduceres af bioteknologiindustrien.

Song brugte de næste to år på at udføre cellekultureksperimenter, molekylærbiologiske undersøgelser og genetiske test for at bevise, at cellerne faktisk var mutanter. At bestemme den nøjagtige struktur af de mutante glykoproteiner krævede hjælp fra sin kollega Lee May May, der stod i spidsen for analysegruppen på BTI. May brugte massespektrometriværktøjer til at bestemme den nøjagtige biokemiske struktur af proteinerne produceret af Songs mutante celler, afslører, at de manglede vigtige sukkerarter. Song havde skabt de første sukker-mutante cellelinjer, der kunne anvendes til produktion af bioteknologi.

Samarbejdet er siden udvidet til et globalt kendt partnerskab mellem bioingeniører og bioanalytikere hos A*STAR, fremme forståelsen af ​​sukkerers rolle i sygdomme.

Sød snak

Sukkerarter er den mindste og enkleste form for kulhydrat, lavet af enkelte eller forbundne molekylære enheder af kulstof, brint og ilt. Vores blod indeholder hundredvis af sukkerarter:nogle flyder frit, men mange flere knyttet til proteiner som dekorationer på et juletræ. Næsten 70 procent af proteinerne i vores krop er glykosylerede, hvilket betyder, at de ikke fungerer uden deres sukkerholdige kost. Det specifikke arrangement af sukkerarter, eller glycaner, på et glycoprotein bestemmer, hvordan et protein folder og interagerer med andre molekyler, ændrer dens opløselighed og nogle gange endda de meddelelser, den sender til celler. "Cellen bruger en enorm mængde energi på at sætte sukker på proteiner, "siger Pauline Rudd, en veteran inden for glykobiologi, der sluttede sig til BTI analytics team i 2015. "Hvis du ikke havde sukkerarter, du ville ikke overleve. "

Forskere opdagede først glykoproteinernes afgørende rolle i begyndelsen af ​​1900'erne. En østrigsk læge, Karl Landsteiner, bemærkede, at menneskeligt blod blandet med blod fra dyr, eller endda andre mennesker, danner klumper. Disse klumper kan tilstoppe kar eller revne op for at frigive giftige proteiner i kroppen. Imidlertid, Landsteiner bemærkede, at nogle blandinger ikke koagulerede. Denne opdagelse førte ham til den blodgruppeklassifikation, der stadig bruges i dag-A, B, AB og O - og vandt ham Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 1930. I 1950'erne fastslog forskerne, at de sukkerarter, der blev eksponeret på overfladen af ​​røde blodlegemer, bestemte, hvilken blodgruppe de tilhørte.

Blodarbejdet tilskyndede til forskning i glykoproteiner. I 1990'erne, biologer blev fanget af genetik dille. Kuren for alt, de stillede, var skjult i vores DNA. "Gener blev påstået at være årsag til alt, "siger Rudd, der så finansiering til glykobiologi aftage. Mellem 1998 og 2000, 3,5 milliarder dollars blev brugt globalt på genomisk forskning, herunder initiativet til at sekvensere hele det menneskelige genom. "Der var mange oplysninger, men det gav os ikke en direkte vej til at forstå sygdom, "siger Rudd." Folk begyndte at antyde, at gener måske ikke gør andet end kode for proteiner. "

Forskere flyttede deres opmærksomhed til de mange andre stadier af biologisk aktivitet, indtil de igen ankom til sukker.

"DNA er det første informationslag. Disse oplysninger transkriberes til RNA, som sender en besked, der oversættes til et protein med en funktion, "siger Song." Kulhydrater, eller sukker, er det sidste lag af biologisk information. "

At kende vigtigheden af ​​sukker gjorde dem ikke lettere at studere. DNA og proteiner er i det væsentlige lineære strukturer, der "krøller sig sammen til flotte former, "siger Rudd. Sukker forgrenes i flere kæder." De er som store træer, der hænger ud af siderne af proteiner. "Det ville tage flere år, før sukker kunne analyseres med præcision og hastighed af gener og proteiner.

Ryst op

I 1989 ramte et jordskælv Californien. Rudd husker det godt. Hun var dybt inde i et samarbejde mellem Oxford Glycobiology Institute (ledet af direktør Raymond Dwek) og et forskerhold i London, leder efter ændringer i måden proteiner glykosyleres på hos patienter med autoimmune sygdomme. Hun analyserede 600 prøver af immunoglobulin G (IgG) -proteinet, ved hjælp af en speciel gel til filtrering af sukkerarterne. Fabrikken, der producerede denne gel, blev ødelagt af jordskælvet.

Da fabrikken blev genopbygget, dens gel var ikke den samme. "Det var fuldstændig ubrugeligt, "husker Rudd." Jeg rev mit hår ud for at få analyseret disse 600 prøver. "

Nødvendighed frembringer opfindelse, så Rudd så sig omkring og lagde mærke til de væskekromatografikolonner (LC), hun havde brugt til at sortere proteiner. Hun stak en sprøjte fyldt med en blanding af sukker frigivet fra hendes glycoproteinprøver ind i søjlerne. LC -enheden filtrerede sukkerarterne til en meget højere opløsning end gelprocessen. "Vi gik aldrig tilbage, " hun siger.

Siden da, Rudd har samarbejdet med private og institutionelle partnere for at fremskynde, automatisere og forbedre specificiteten af ​​teknikker til sortering og karakterisering af sukker fra en prøve. Det, der før tog et år, kan nu gøres på en dag. Arbejdsgangen, bioinformatik og databaser udviklet af Rudds team ved National Institute for Bioprocessing Research and Training (Dublin, Irland) er blevet indarbejdet i Waters Corporation's UNIFI analytisk koblede væskekromatografi/massespektrometri platform, hvilket betyder, at meget af kompleksiteten af ​​glycoanalyse nu er automatiseret. Derfor, glycoanalyse er gået ind i en ny æra med glycomics, bringe det tættere på genetikens big data-univers, transkriptomik og proteomik.

"Vi kan nu se på store kohorter af prøver for at forstå mere om sygdomme og støtte biologisk udvikling og produktion, "siger Terry Nguyen-Khuong, der leder analysegruppen på BTI. Siden jeg gik sammen med Rudd, A*STAR har udvidet sin analyseportefølje til at zoome ind på sukker og identificere deres nøjagtige placering, grundlæggende byggesten og forbindelsesstrukturer.

Pharming glykoproteiner

Glycoproteiner brænder en biopharmaindustri på 163 milliarder dollar for medicin, hvis virkning kan dikteres af sukker. For eksempel, når hormonet erythropoietin er prydet med sialinsyresukker, det er ti gange mere effektivt til at stimulere produktionen af ​​røde blodlegemer hos anæmiske patienter end hormonet alene.

I glykoproteinbranchen, CHO -celler omfatter hele arbejdsstyrken. De kan producere alle proteiner, biotekindustrien kræver, og kan sukkerbelægge proteinerne på samme måde som mennesker gør.

Inden Song skabte sine første CHO-cellemutanter, ingen havde været i stand til at kontrollere glycosyleringen af ​​proteiner i masseproducerbare cellelinjer. Pamela Stanleys gruppe i USA havde justeret glykosyleringen af ​​CHO -celler i årevis ved hjælp af cellelinjer, der levede og døde på en flad petriskål, fodret med proteinrig koblod. Song udviklede i stedet mutanter ved hjælp af celler, som han vidste kunne replikere på ubestemt tid, mens de hvirvlede i sfæriske 20, 000-liters bioreaktorer, der anvendes på biopharma-fabrikker-fri for kvægtilsætningsstoffer.

Han navngav cellelinjen CHO-glycosyleringsmutant 1 (GMT-1), og siden da, mere end tyve efterfølgere har fulgt i numerisk rækkefølge. Da der dukkede op værktøjer, der gjorde redigering af gener så enkle som at klippe og indsætte ord på en computerskærm, han brugte dem til at generere flere mutanter.

I GMT-3, han slettede et gen, der kræves for at fiksere sukker til proteiner. GMT-9 glycoproteiner mangler sukkerarterne fucose og galactose; og GMT-17 mangler fucose, galactose og sialinsyre. Fraværet af disse sukkerarter kan diktere stoffets styrke. Songs celler producerer antistoffer, der er op til hundrede gange bedre til at dræbe kræftceller end deres ækvivalente lægemidler på markedet, såsom rituximab (mærket Rituxan) til behandling af leukæmi. "Cellelinjerne er sammenlignelige med industrielle linjer og er klar til kommercialisering, "siger Song, der har administreret et glycomics -tilskud på 11 millioner dollars kaldet GlycoSing siden 2014. Behandlinger med disse forbedrede antistoffer ville betyde betydeligt reducerede doser.

I 2008, Andre Choo, en forsker på BTI, udviklet de første antistoffer, der specifikt kunne dræbe embryonale stamceller, lindre bekymringer om cellerne, der danner tumorer hos transplanterede patienter. Antistofferne er siden blevet licenseret til flere virksomheder.

Mange sygdomme har en tydelig sukkerprofil, et koncept, som Choo er begyndt at udnytte til kræftbehandling. Han screener for antistoffer, der specifikt er målrettet mod afvigende sukkermolekyler på kræftceller, arbejder med Rudd og Nguyen-Khuongs team for at analysere dem.

For nylig i år, hans team genererede et antistof, der genkender sukker, der udtrykkes på kræftceller i æggestokkene. "Tidligere ville vi generere et antistof uden egentlig at vide, hvad det målrettede sig mod, vi er nu fokuseret på at forsøge at få disse anti-glycan-antistoffer. "

På A*STAR, forskning har udvidet sig til dengue, Zika -virus og hjertesygdomme. "Alle større områder inden for medicin - kræft, infektionssygdom og inflammatoriske problemer - er relateret til glykoproteiner, "siger Song, hvis mutanter potentielt kunne helbrede disse sygdomme.