Membranproteine sind für eine Vielzahl biologischer Prozesse unerlässlich und stellen einen erheblichen Teil der Angriffspunkte für Arzneimittel dar, weshalb ihre Untersuchung äußerst wichtig ist. Die Analyse dieser Proteine war jedoch in der Vergangenheit schwierig. Forscher der Hefei Institutes of Physical Science unter der Leitung von Wang Junfeng haben in Analytical Chemistry eine neue Studie veröffentlicht, in der sie eine vielversprechende Lösung detailliert beschreiben, die die Zuverlässigkeit der Oberflächenplasmonresonanzanalyse (SPR) von Membranproteinen erheblich verbessert.
Warum Membranproteine schwer zu untersuchen sind
Etwa ein Drittel aller menschlichen Proteine sind Membranproteine und sie sind an lebenswichtigen Funktionen wie der zellulären Signalübertragung und dem Transport beteiligt. Fast 60 % der Proteine, auf die Medikamente abzielen, sind Membranproteine. Dies unterstreicht ihre Schlüsselrolle bei Gesundheit und Krankheit und unterstreicht daher die Notwendigkeit einer genauen Untersuchung.
Für die Entwicklung wirksamer Behandlungen ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie diese Proteine mit anderen Molekülen interagieren – ein Prozess namens Bindung. Eine Technik namens Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) bietet hierfür ein wertvolles Werkzeug.
SPR gilt als „Goldstandard“ auf diesem Gebiet, da es Wissenschaftlern ermöglicht, diese Wechselwirkungen in Echtzeit zu überwachen, ohne die Proteine chemisch markieren zu müssen. Eine große Herausforderung bestand jedoch darin, zuverlässige Wege zu finden, Membranproteine am SPR-Sensorchip zu immobilisieren bzw. zu befestigen und gleichzeitig ihre natürliche Struktur und Funktion zu bewahren. Wenn sich die Form oder das Verhalten des Proteins während der Anlagerung ändert, sind die Ergebnisse der Analyse unzuverlässig.
Ein neuartiger Ansatz: Nanodisks und SpyTag-SpyCatcher
Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelte das Forschungsteam eine neuartige Immobilisierungsmethode. Sie kombinierten zwei etablierte Technologien – das kovalente Konjugationssystem SpyCatcher-SpyTag und Membran-Scaffold-Protein (MSP)-basierte Nanodisks –, um einen einfachen, effizienten und stabilen Prozess zu schaffen.
Hier ist eine Aufschlüsselung des Prozesses:
- Erstellung von Nanodisks: Das Team entwickelte ein Fusionsprotein, das MSP mit dem SpyTag-Molekül kombiniert. Dieses manipulierte Protein wurde dann verwendet, um das Zielmembranprotein in Nanoplatten einzubauen. Nanodisks sind winzige, künstliche Lipidstrukturen, die die Umgebung nachahmen, in der sich Membranproteine normalerweise in Zellmembranen befinden.
- Spezifischer Anhang: Diese Nanodisks tragen das SpyTag-Label. Anschließend immobilisierten die Forscher SpyCatcher-Proteine, die eine starke Affinität zu SpyTag haben, mithilfe eines herkömmlichen chemischen Kopplungsprozesses auf einem Standard-CM5-Sensorchip.
- Stabile Immobilisierung: Durch dieses Design können die Nanodisks, die das Membranprotein tragen, spezifisch und effizient von den SpyCatcher-Proteinen eingefangen werden. Das Ergebnis ist eine robuste und stabile Immobilisierung des Membranproteins in einer nahezu nativen Lipidumgebung – im Wesentlichen eine Nachahmung der natürlichen Umgebung des Proteins.
Demonstration der Wirksamkeit der Methode
Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu demonstrieren, führte das Forschungsteam eine SPR-Analyse von drei verschiedenen Arten von Membranproteininteraktionen durch:
- Protein-Lipid-Wechselwirkungen
- Transmembran-Protein-Antikörper-Wechselwirkungen
- Wechselwirkungen zwischen Transmembranprotein und kleinen Molekülen
Die Ergebnisse lieferten durchweg hochwertige SPR-Daten und ermöglichten eine präzise Quantifizierung der Bindungskinetik – wie schnell die Wechselwirkungen stattfinden – und der Affinitäten – wie stark die Proteine aneinander binden.
Bedeutung und Zukunftspotenzial
Dieser innovative Ansatz beseitigt effektiv die seit langem bestehenden Einschränkungen der SPR-Technologie bei der Untersuchung von Membranproteinen. Durch die Bereitstellung einer zuverlässigen Methode zur Immobilisierung birgt diese Forschung ein erhebliches Potenzial für die Beschleunigung sowohl der Membranproteinforschung als auch der Arzneimittelentwicklung. Diese Technik soll zu einem besseren Verständnis der komplexen Rolle von Membranproteinen führen und zur Entwicklung besserer und gezielterer Therapien führen.
