Ny bioteknologisk teknik fremskynder forskning i proteinterapi

Et forskningshold i syntetisk biologi, der ledes af Nordvest, har kombineret teknologier for at udvikle en ny bioteknologisk teknik, der lover at fremskynde forskningen i proteinterapier, der en dag kan blive det næste forsvar mod antibiotika-resistente superbakterier eller det næste nye lægemiddel.

Det begyndte, da Milan Mrksich, Henry Wade Rogers professor i biomedicinsk teknik, kemi, og celle- og molekylærbiologi, og kollega Michael Jewett, Charles Deering McCormick professor i undervisningskvalitet og lektor i kemi og biologisk ingeniørvidenskab, besluttede at sammenligne noter og kombinere kræfter.

Parret, som leder Northwesterns Center for Synthetic Biology, hvor Mrksich er instruktør og Jewett er medinstruktør, spekulerede på, hvad de kunne opnå, hvis de kombinerede Mrksich-laboratoriets massespektrometriteknologi med Jewett-laboratoriets ekspertise i glycosylering og hurtig fremstilling af proteiner.

glykosylering, som er bindingen af ​​sukker til proteiner, spiller en afgørende rolle i, hvordan proteiner dannes og virker i celler, og hvordan celler interagerer med andre celler. Det er også vigtigt i studiet af sygdom og bioteknologi.

Deres ideer begyndte at krystallisere, da de sløjfede i glykosyleringsteknisk ekspertise fra tæt samarbejdspartner Matt DeLisa, William L. Lewis professor i ingeniørvidenskab ved Robert Fredrick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering ved Cornell University.

Sammen udviklede de en ny platform til karakterisering og optimering af sekvenser til fremstilling af glykoproteiner ved hjælp af cellefri proteinsyntese og massespektrometri.

Det resulterende fremskridt er beskrevet i "Design af glycosyleringssteder ved hurtig syntese og analyse af glycosyltransferaser, " udgivet den 7. maj af tidsskriftet Naturens kemiske biologi . Mrksich og Jewett er de tilsvarende forfattere. De to co-lead forfattere er Weston Kightlinger, en kandidatstuderende i Jewetts laboratorium, og Liang Lin, en ph.d.-studerende i Mrksichs laboratorium.

Den nye teknik lover i høj grad at fremskynde den tid, der er nødvendig for at teste forbindelser for potentielle nye lægemidler. Så sent som for et par årtier siden, lægemidler var baseret på naturlige produkter, der var trættende isoleret og karakteriseret fra planter og andre naturlige kilder.

Men engang kemikere lærte at lave biblioteker af et stort antal molekyler - som i dag tæller millioner - og engang ingeniørarbejdet bragte laboratorieautomatisering frem som et værktøj, videnskabsmænd og ingeniører var i stand til hurtigt at teste millioner af forbindelser inden for et par uger for at identificere gode udgangspunkter for udvikling af lægemidler.

Stadig, Mrksich forklarede, i syntetisk biologi, cyklustiden for at teste hver enzym-substrat-interaktion kan tage uger eller måneder.

"Vi har radikalt fremskyndet processen, " sagde Mrksich. "Hvor forskere i dag kan evaluere et par hundrede potentielle glykosyleringsmærker i en given periode, vi har samlet to high-throughput-teknologier, der giver os mulighed for at evaluere flere tusinde inden for samme tidsramme." Disse tags er vigtige, fordi glycosylering er til stede i 70 procent af proteinterapi, der allerede er godkendt eller i præklinisk evaluering.

Processen fungerer ved at kombinere tre teknikker fra Northwestern laboratorier:

• Cellefri proteinsyntese, Jewetts metode til at producere proteiner uden at bruge levende, intakte organismer
• Proteinglykosylering, en specialitet i Jewetts laboratorium, der giver forskere mulighed for hurtigt at skabe og teste et stort antal enzymer i reagensglas
• SAMDI (selv-samlede monolag til matrix-assisteret desorption/ionisering) massespektrometri fra Mrksichs laboratorium, en superhurtig, lavpris, og "mærkefri" metode til måling af biokemiske aktiviteter på en overflade

Kombineret med glykoteknologisk viden fra DeLisas laboratorium, den kombinerede teknik analyserer glykosylering hurtigt og effektivt.

"Vi udviklede peptid-arrays, hvor vi har en plade på størrelse med din hånd, der har cirka 1, 500 cirkulære områder på det, " sagde Mrksich. "Hver af disse regioner har knyttet et andet peptidmærke til sig, og vi kan påføre enzymopløsningen jævnt over hele arrayet, og hver af peptidmærkerne kan derefter glycosyleres."

Efter at pladen er skyllet, hele arrayet kan analyseres ved massespektrometri, som kvantificerer mængden af ​​glykosylering af hvert peptid.

"På en dag, vi kan evaluere tusindvis af forskellige peptid-tags for at identificere de optimale til glycosylering, som vi derefter går videre med, " sagde Mrksich.

Resultatet er ikke kun meget hurtigere, men leverer også meget mere detaljerede data. "Vores metode giver os mulighed for ikke bare at vælge vinderne, som vi almindeligvis leder efter i videnskabelige eksperimenter, men også fiaskoerne " sagde Jewett.

Holdet døbte processen GlycoSCORES, eller glycosyleringssekvenskarakterisering og -optimering ved hurtig ekspression og screening.

DeLisa sagde, at han var begejstret for at bruge den nye teknologi til at løse en række åbne spørgsmål om, hvordan forskellige glycosyleringsenzymer virker.

"Denne teknik giver os mulighed for at stille meget mere præcise og videnskabelige spørgsmål på dette område, end det tidligere ville have været muligt, " sagde han. "Den nye viden, der er afledt, kunne virkelig ændre spil i forhold til vores evne til at konstruere glycoproteiner med ønskværdige egenskaber."