Membraaneiwitten zijn essentieel voor een breed scala aan biologische processen en vertegenwoordigen een aanzienlijk deel van de doelwitten van geneesmiddelen, waardoor hun onderzoek ongelooflijk belangrijk is. Het analyseren van deze eiwitten is historisch gezien echter moeilijk geweest. Onderzoekers van de Hefei Institutes of Physical Science, onder leiding van Wang Junfeng, hebben een nieuwe studie gepubliceerd in Analytical Chemistry waarin een veelbelovende oplossing wordt beschreven die de betrouwbaarheid van de oppervlakte-plasmonresonantie (SPR)-analyse van membraaneiwitten aanzienlijk verbetert.
Waarom membraaneiwitten moeilijk te bestuderen zijn
Ongeveer een derde van alle menselijke eiwitten zijn membraaneiwitten en ze zijn betrokken bij vitale functies zoals cellulaire signalering en transport. Bijna 60% van de eiwitten waarop medicijnen zich richten, zijn membraaneiwitten. Dit benadrukt hun sleutelrol in gezondheid en ziekte, en onderstreept daarom de noodzaak van nauwkeurig onderzoek.
Begrijpen hoe deze eiwitten interageren met andere moleculen – een proces dat binding wordt genoemd – is cruciaal voor het ontwikkelen van effectieve behandelingen. Een techniek genaamd Surface Plasmon Resonance (SPR) biedt hiervoor een waardevol hulpmiddel.
SPR wordt in dit veld als een ‘gouden standaard’ beschouwd omdat wetenschappers hierdoor deze interacties in realtime kunnen volgen zonder de eiwitten chemisch te hoeven labelen. Een grote uitdaging is echter het vinden van betrouwbare manieren om membraaneiwitten aan de SPR-sensorchip te immobiliseren of te bevestigen, terwijl hun natuurlijke structuur en functie behouden blijft. Als de vorm of het gedrag van het eiwit tijdens de hechting verandert, zijn de resultaten van de analyse onbetrouwbaar.
Een nieuwe aanpak: Nanodisks en SpyTag-SpyCatcher
Om deze uitdaging het hoofd te bieden, ontwikkelde het onderzoeksteam een nieuwe immobilisatiemethode. Ze combineerden twee gevestigde technologieën – het SpyCatcher-SpyTag covalente conjugatiesysteem en op membraansteigereiwit (MSP) gebaseerde nanoschijven – om een eenvoudig, efficiënt en stabiel proces te creëren.
Hier is een overzicht van het proces:
- Nanoschijven maken: Het team heeft een fusie-eiwit ontwikkeld dat MSP combineert met het SpyTag-molecuul. Dit gemanipuleerde eiwit werd vervolgens gebruikt om het doelmembraaneiwit in nanodisken te incorporeren. Nanoschijven zijn kleine, kunstmatige lipidestructuren die de omgeving nabootsen waarin membraaneiwitten zich normaal gesproken in celmembranen bevinden.
- Specifieke bijlage: Deze nanoschijven zijn voorzien van het SpyTag-label. Vervolgens hebben de onderzoekers SpyCatcher-eiwitten, die een sterke affiniteit voor SpyTag hebben, vooraf geïmmobiliseerd op een standaard CM5-sensorchip met behulp van een conventioneel chemisch koppelingsproces.
- Stabiele immobilisatie: Dankzij dit ontwerp kunnen de nanoschijven, die het membraaneiwit dragen, specifiek en efficiënt worden opgevangen door de SpyCatcher-eiwitten. Het resultaat is een robuuste en stabiele immobilisatie van het membraaneiwit in een vrijwel oorspronkelijke lipideomgeving, waarbij in wezen de natuurlijke omgeving van het eiwit wordt nagebootst.
De effectiviteit van de methode aantonen
Om de mogelijkheden van de methode aan te tonen, voerde het onderzoeksteam een SPR-analyse uit van drie verschillende soorten membraaneiwitinteracties:
- Eiwit-lipide-interacties
- Transmembraaneiwit-antilichaaminteracties
- Transmembraaneiwit-kleine molecuulinteracties
De resultaten leverden consequent SPR-gegevens van hoge kwaliteit op, waardoor nauwkeurige kwantificering van de bindingskinetiek (hoe snel de interacties plaatsvinden) en affiniteiten (hoe sterk de eiwitten aan elkaar binden) mogelijk is.
Betekenis en toekomstig potentieel
Deze innovatieve aanpak pakt effectief de al lang bestaande beperkingen van de SPR-technologie aan bij het bestuderen van membraaneiwitten. Door een betrouwbare methode voor immobilisatie te bieden, biedt dit onderzoek een aanzienlijk potentieel voor het versnellen van zowel membraaneiwitonderzoek als inspanningen voor het ontdekken van geneesmiddelen. Deze techniek moet leiden tot een beter begrip van de complexe rol van membraaneiwitten en tot de ontwikkeling van betere en meer gerichte therapieën.
