Nanopore-technologie zorgt voor doorbraak in detectie van eiwitvarianten

Een team van wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Oxford heeft een belangrijke doorbraak bereikt in het opsporen van wijzigingen in eiwitstructuren. De methode, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiemaakt gebruik van innovatieve nanopore-technologie om structurele variaties op het niveau van één molecuul te identificeren, zelfs diep in lange eiwitketens.

Menselijke cellen bevatten ongeveer 20.000 eiwitcoderende genen. Het werkelijke aantal eiwitten dat in cellen wordt waargenomen, is echter veel groter, er zijn meer dan 1.000.000 verschillende structuren bekend. Deze varianten worden gegenereerd via een proces dat bekend staat als post-translationele modificatie (PTM), dat plaatsvindt nadat een eiwit is getranscribeerd van DNA.

PTM introduceert structurele veranderingen zoals de toevoeging van chemische groepen of koolhydraatketens aan de individuele aminozuren waaruit eiwitten bestaan. Dit resulteert in honderden mogelijke variaties voor dezelfde eiwitketen.

Deze varianten spelen een cruciale rol in de biologie, door nauwkeurige regulering van complexe biologische processen binnen individuele cellen mogelijk te maken. Het in kaart brengen van deze variatie zou een schat aan waardevolle informatie blootleggen die ons begrip van cellulaire functies radicaal zou kunnen veranderen. Maar tot op heden is het vermogen om uitgebreide eiwitinventarissen te produceren een ongrijpbaar doel gebleven.

Om dit te verhelpen, heeft een team onder leiding van onderzoekers van de afdeling Chemie van de Universiteit van Oxford met succes een methode voor eiwitanalyse ontwikkeld op basis van nanopore DNA/RNA-sequencingtechnologie. Bij deze benadering vangt een gerichte waterstroom 3D-eiwitten op en ontvouwt ze zich tot lineaire ketens die door kleine poriën worden gevoerd, net breed genoeg om een ​​enkel aminozuurmolecuul door te laten.

Structurele variaties worden geïdentificeerd door veranderingen te meten in een elektrische stroom die over de nanoporie wordt aangelegd. Verschillende moleculen veroorzaken verschillende verstoringen in de stroming, waardoor ze een unieke signatuur krijgen.

Het team heeft met succes de effectiviteit van de methode aangetoond bij het detecteren van drie verschillende PTM-modificaties (fosforylering, glutathionylering en glycosylering) op het niveau van één molecuul voor eiwitketens van meer dan 1200 residuen lang. Deze omvatten modificaties diep in de sequentie van het eiwit. Belangrijk is dat de methode niet het gebruik van labels, enzymen of aanvullende reagentia vereist.

Volgens het onderzoeksteam zou de nieuwe eiwitkarakteriseringsmethode gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in bestaande draagbare nanopore-sequencing-apparaten, zodat onderzoekers snel eiwitinventarissen van afzonderlijke cellen en weefsels kunnen opbouwen. Dit zou point-of-care-diagnostiek kunnen vergemakkelijken, waardoor de gepersonaliseerde detectie van specifieke eiwitvarianten die verband houden met ziekten zoals kanker en neurodegeneratieve aandoeningen mogelijk wordt.

Professor Yujia Qing (afdeling scheikunde, Universiteit van Oxford), bijdragende auteur van de studie, zei: “Deze eenvoudige maar krachtige methode opent tal van mogelijkheden. In eerste instantie maakt het onderzoek van individuele eiwitten mogelijk, zoals die betrokken zijn bij specifieke ziekten Op de langere termijn heeft de methode het potentieel om uitgebreide inventarissen van eiwitvarianten in cellen te creëren, waardoor diepere inzichten in cellulaire processen en ziektemechanismen worden ontsloten.”

Professor Hagan Bayley (Department of Chemistry, University of Oxford), bijdragende auteur en mede-oprichter van Oxford Nanopore Technologies, voegde eraan toe: “Het vermogen om post-translationele modificaties en andere eiwitvariaties op het niveau van één molecuul te lokaliseren en te identificeren, houdt een enorme belofte in. voor het bevorderen van ons begrip van cellulaire functies en moleculaire interacties. Het kan ook nieuwe wegen openen voor gepersonaliseerde geneeskunde, diagnostiek en therapeutische interventies.”

Dit werk werd uitgevoerd in samenwerking met de onderzoeksgroep van mechanobioloog Sergi Garcia-Maynes aan King’s College London en het Francis Crick Institute.