Einzel

Bildnachweis: Christoph Burgstedt/Getty Images

An der Universität Oxford haben Wissenschaftler eine Nanoporentechnologie entwickelt, die drei verschiedene posttranslationale Modifikationen (PTMs) in einzelnen Proteinen identifizieren kann, sogar tief in langen Proteinketten. Die Wissenschaftler behaupteten, dass ihre Technologie „den Grundstein für die Erstellung von Inventaren der Proteoformen in Zellen und Geweben legt“.

Die Technologie wurde in Nature Nanotechnology in einem Artikel mit dem Titel „Enzymlose Nanoporenerkennung posttranslationaler Modifikationen innerhalb langer Polypeptide“ vorgestellt. In dem Artikel wurde darauf hingewiesen, dass die Identifizierung einzelner Moleküle von Proteoformen Kenntnisse über die Architektur langer Polypeptidketten erfordert, ein Wissen, das sich als schwer fassbar erwiesen hat. Obwohl es Methoden zur Translokation gefalteter Proteine ​​durch Festkörper-Nanoporen oder Protein-Nanoporen großer Größe gibt, müssen diese Methoden PTMs noch innerhalb einer Polypeptidsequenz lokalisieren. Die Methoden, mit denen PTMs nachgewiesen wurden, konnten dies nur innerhalb kurzer Peptide tun.

In ihrer Arbeit beschreiben die Oxford-Wissenschaftler ihren Ansatz: „Wir nutzen Elektroosmose in einer konstruierten ladungsselektiven Nanopore für die nicht-enzymatische Erfassung, Entfaltung und Translokation einzelner Polypeptide mit mehr als 1.200 Resten.“ Unmarkierte Thioredoxin-Polyproteine ​​werden durch die Nanopore transportiert, wobei die gerichtete co-translokative Entfaltung Einheit für Einheit vom C- oder N-Terminus aus erfolgt. Chaotrope Reagenzien in nicht denaturierenden Konzentrationen beschleunigen die Analyse.“

Die Wissenschaftler arbeiteten an der Nanoporen-DNA/RNA-Sequenzierungstechnologie. Konkret nutzten die Wissenschaftler einen gerichteten Wasserfluss, um 3D-Proteine ​​einzufangen und zu linearen Ketten zu entfalten und sie durch Poren zu führen, die gerade breit genug waren, um den Durchgang einer einzelnen Aminosäure zu ermöglichen. Strukturelle Variationen wurden durch die Messung von Änderungen eines elektrischen Stroms identifiziert, der über die Nanopore angelegt wurde. Verschiedene Moleküle verursachten unterschiedliche Störungen im Strom und verliehen ihnen eine einzigartige Signatur.

Das Team demonstrierte erfolgreich die Wirksamkeit der Methode beim Nachweis von drei verschiedenen PTM-Modifikationen (Phosphorylierung, Glutathionylierung und Glykosylierung). Dazu gehörten Modifikationen tief in der Proteinsequenz. Wichtig ist, dass die Methode keine Markierungen, Enzyme oder zusätzliche Reagenzien erfordert.

Nach Angaben des Forschungsteams könnte die neue Proteincharakterisierungsmethode problemlos in bestehende tragbare Nanoporen-Sequenzierungsgeräte integriert werden, um Forschern den schnellen Aufbau von Proteinbeständen einzelner Zellen und Gewebe zu ermöglichen. Dies könnte die Point-of-Care-Diagnostik erleichtern und den personalisierten Nachweis spezifischer Proteinvarianten ermöglichen, die mit Krankheiten wie Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen in Zusammenhang stehen.

„Diese einfache, aber leistungsstarke Methode eröffnet zahlreiche Möglichkeiten“, sagte Yujia Qing, PhD, außerordentlicher Professor für organische Chemie an der Universität Oxford und korrespondierender Autor der aktuellen Studie. „Es ermöglicht zunächst die Untersuchung einzelner Proteine, die beispielsweise an bestimmten Krankheiten beteiligt sind. Längerfristig birgt die Methode das Potenzial, erweiterte Bestände an Proteinvarianten in Zellen zu erstellen und so tiefere Einblicke in zelluläre Prozesse und Krankheitsmechanismen zu ermöglichen.“

Der andere korrespondierende Autor der aktuellen Studie war Hagan Bayley, PhD, Professorin für chemische Biologie an der Universität Oxford und Mitbegründerin von Oxford Nanopore Technologies. Er wies darauf hin, dass die Fähigkeit, posttranslationale Modifikationen und andere Proteinvariationen auf Einzelmolekülebene zu lokalisieren und zu identifizieren, „immens vielversprechend für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses zellulärer Funktionen und molekularer Wechselwirkungen“ ist. Er fügte hinzu, dass es „neue Wege für personalisierte Medizin, Diagnostik und therapeutische Interventionen eröffnen könnte“.

Die Autoren der Studie betonten, dass Technologien zur Analyse zellulärer Proteine ​​und ihrer Millionen Varianten auf Einzelmolekülebene wesentliche Informationen ans Licht bringen würden, die der Biologie bisher unbekannt waren.

Obwohl menschliche Zellen etwa 20.000 proteinkodierende Gene enthalten, ist die tatsächliche Anzahl der in Zellen beobachteten Proteine ​​weitaus größer und es sind über 1.000.000 verschiedene Strukturen bekannt. Diese Varianten werden durch PTMs erzeugt, bei denen es sich um strukturelle Veränderungen handelt, die an Proteinen auftreten, nachdem sie aus der DNA transkribiert wurden. Diese Veränderungen – wie das Hinzufügen chemischer Gruppen oder Kohlenhydratketten zu den einzelnen Aminosäuren, aus denen ein Protein besteht – führen zu Hunderten möglicher Variationen für dieselbe Proteinkette.

Diese Varianten spielen eine zentrale Rolle in der Biologie, indem sie die präzise Regulierung komplexer biologischer Prozesse in einzelnen Zellen ermöglichen. Die Kartierung von PTMs würde eine Fülle wertvoller Informationen ans Licht bringen, die unser Verständnis zellulärer Funktionen revolutionieren könnten.