En ny forståelse af proteinbevægelse

Mange af de mest lovende lægemidler under udvikling er proteiner, ofte antistoffer, at hjælpe patienter med at bekæmpe sygdom. Disse proteiner skal renses som en del af fremstillingsprocessen - en opgave, der kan være vanskelig og resultere i dyrt spild.

Forskere har kæmpet for direkte at måle bevægelsen af ​​proteiner, kendt som proteindiffusion, i materialer, der omfatter både faste og flydende komponenter. De har også været uenige om, hvordan bevægelse ved overfladen af ​​materialet bidrager til proteinbevægelse ved brug af ionbytterkromatografi, en laboratorie- og fremstillingsmetode til at adskille materialer baseret på deres ladning. Proteiner kan krybe ind i porerne på harpiksperler, der bruges til at udføre ionbytterkromatografi og binde sig til væggene, baseret på afgift.

Nu, et team af ingeniører fra University of Delaware, med en samarbejdspartner fra medicinalvirksomheden Amgen, har vist, at overfladediffusion i proteintransport ind i ionbytterperler afhænger af adsorptionsaffinitet - et mål for tiltrækning mellem de to materialer. Ved at udnytte dette forhold, holdet udviklede en procedure til at rense et monoklonalt antistof - en type molekyle, der medierer immunitet - med en produktivitet 43 % højere end normalt.

Holdets resultater blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences i marts. Bladets forfattere inkluderer Ohnmar Khanal, en doktorand i kemiteknik; Vijesh Kumar, postdoc i kemiteknik; Fabrice Schlegel, en ledende ingeniør hos Amgen; og Abraham Lenhoff, Allan P. Colburn professor i kemiteknik.

"Vi præsenterer et meget stærkt argument for betydningen af ​​overfladediffusion, og vi bruger flere tilgange til at bekræfte dets betydning gennem en simpel teknik, der kan implementeres med det samme, " sagde Khanal.

Holdet brugte kromatografi, mekanistisk modellering, konfokal mikroskopi og småvinklet neutronspredning. Sidstnævnte blev udført på National Center for Neutron Research ved National Institute for Standards and Technology.

Ved at forstå og udnytte proteinoverfladediffusion i ionbytterkromatografi, forskere kan bygge videre på dette arbejde og udvikle metoder til at reducere spild under den dyre lægemiddelfremstillingsproces.

"Ionbytningskromatografi af proteiner er en absolut nøgleoperation i biofarmaceutisk fremstilling, sagde Lenhoff.

Kumar og Lenhoff arbejder nu på et separat projekt finansieret af National Institute for Innovation in Biopharmaceutical Manufacturing, baseret på University of Delaware, at udvikle matematiske modeller for kromatografi, som kunne muliggøre mere effektive måder at designe og udvikle fremstillingsprocesser på.

Forskere kan også bygge videre på denne nye grundlæggende forståelse af proteindiffusion og måske anvende den på andre problemer. Proteindiffusion på overflader er et vigtigt fænomen inde i kroppen, også. Bevægelse og fibrillering af amyloid-ß i hjernen er blevet forbundet med neurogenerative sygdomme, for eksempel, og proteinoverfladediffusion kan påvirke biosensorers ydeevne.

"Dette er et eksempel på, hvordan grundforskning kan føre til praktiske anvendelser og væsentlige forbedringer i disse praktiske anvendelser, sagde Lenhoff.

Og det hele startede med en brainstorm, hvor Khanal foreslog mere dybdegående undersøgelse af overfladediffusions forhold til bindingsaffinitet på de ladede overflader ved hjælp af komplementære værktøjer.

"Da vi startede det her, vi troede aldrig, vi ville gå så langt, " sagde Kumar. "Det startede som en meget lille idé."