Salt hjælper proteiner med at komme videre hen ad vejen

Med en masse hårdt arbejde og en sjat salt, Rice University-forskere har taget et skridt i retning af at forenkle fremstillingen af ​​lægemidler.

Riskemiker Christy Landes og hendes kolleger rapporterede i Proceedings of the National Academy of Sciences deres strategi for at gøre polymermembranbaseret adskillelse af proteiner mere effektiv.

"Det koster omkring 3 milliarder dollars at bringe et lægemiddel baseret på et biologisk protein til forbrugeren, " sagde Landes. "Og omkring halvdelen af ​​det kan skyldes, at oprensning udføres ved forsøg og fejl. Milliarder af dollars spildes hvert år, fordi der ikke er nogen måde at forudsigeligt designe et separationsskema for et protein."

Rice-laboratoriet udvikler modeller til at forudsige, hvordan tuning af individuelle proteiners adfærd ved membrangrænseflader vil påvirke adskillelse.

Gennem deres forskning, de opdagede, hvordan man brugte salt til at tune to forskellige interaktioner mellem en stationær nylonfaseunderstøtning og et modelprotein, transferrin, hjælper med at gøre adskillelser mere effektive.

Forskerne fokuserede på salt, fordi "udsaltning" er et almindeligt trin i kromatografi, en industristandardproces, hvorved elementerne i en løsning adskilles, eller "renset". Filtrene kan være naturligt materiale som jord, absorbenter som cellulose eller, i stigende grad, polymerer, inklusive nylon.

"Tænk på disse filtre som stop langs en motorvej, " sagde medforfatter Logan Bishop, som kombinerede sine simuleringer med eksperimenter af hovedforfatteren Nicholas Moringo. Begge er National Science Foundation (NSF) graduate fellows på Rice.

"Det første stop adskiller de store rigge, det næste stop får pickup trucks, og til sidst står du bare tilbage med de normale biler, du ønsker, " sagde biskop. "Her, vi taler om alle de forskellige kræfter, der adskiller forskellige komponenter, når en blanding bevæger sig gennem søjlen."

Opløst salt skaber solvatiserede ioner, der interagerer med proteiner og indstiller dem til enten at stoppe og interagere med kromatografikolonnen eller gå videre gennem kolonnen. I slutningen af ​​udsaltning, det ønskede protein kan ekstraheres fra søjlen med et opløsningsmiddel og gøres tilgængeligt for yderligere oprensningstrin.

Præcis hvordan saltet påvirker adskillelsen er blot et spørgsmål, som forskerne håber at besvare gennem deres eksperimenter og simuleringer. "Det vigtigste, vi gjorde i dette papir, var at kombinere observationer af individuelle proteiner, der interagerer ved nylongrænsefladen, til en forståelse af præcis, hvordan de interagerer, " sagde Landes. "Vores simuleringer lader os nu forudsige den forbedrede separationseffektivitet under realistiske forhold."

Forskerne identificerede konkurrerende kræfter på nylonoverfladen, der kunne indstilles ved saltkoncentration. Observationer viste, at foldede transferrinproteiner havde en tendens til at hoppe rundt om nylonen, men de folder sig delvist ud, når de først er fastgjort til membranen. Højere saltkoncentrationer udfolder dem endnu mere, mindske hoppet og tillade membraninteraktionerne at forbedre separationseffektiviteten.

"Saltet tuner fordelingen af ​​disse to måder at interagere på, og det ændrer også strukturen af ​​proteinet ved grænsefladen, " sagde Landes. "Men de er hver især kun en del af konkurrencen på mikroskalaen, der giver dig den makroskopiske effekt. Derfor er det så dyrt at optimere processen med trial and error."

"Vi vil gerne være i stand til at teste et bibliotek af overfladekemi under forskellige forhold i ét skud på et dækglas, så vi kan identificere de ideelle betingelser for adskillelse, " sagde Moringo. "Så kan vi bruge simuleringen til at forudsige, hvilket kombinatorisk svar på din chip der vil være det rigtige til at optimere adskillelse."

Det vil tage år før simuleringer inkorporerer alle de mulige parametre, men det er en rejse værd at tage for at gøre design og fremstilling af lægemidler bedre, sagde biskop. "Modellen er ikke ret kompleks nok, og der er et argument om, at vi aldrig vil være i stand til at matche kompleksiteten af ​​kromatografiprocessen, " sagde han. "Men vores håb er, at vi kan få en tæt nok tilnærmelse til at begynde at barbere nogle af disse omkostninger af og komme tættere på en reel løsning."

Landes bemærkede, at medicinalvirksomheder har mestret deres nuværende teknikker, så langt de går. "Ingen ved bedre end industriingeniører, hvordan man optimerer en proces for at få de fleste resultater for de færreste penge, så længe de forbliver på den vej, de har fulgt i 70 år, " sagde hun. "Men vi bevæger os ind på en transformativ vej. Det er det, akademisk forskning er til for«.