![Een microfluïdisch apparaat is ontworpen om een eiwitoplossing te combineren met nanodeeltjes en vervolgens duizenden kleine, identieke druppeltjes te vormen. In elk van deze druppeltjes interageren de eiwitten met de nanodeeltjes, waardoor ze eiwitkristallen vormen. Krediet: Massachusetts Institute of Technology Nieuwe zuiveringsmethode kan eiwitgeneesmiddelen goedkoper maken](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/new-purification-metho.jpg)
Een microfluïdisch apparaat is ontworpen om een eiwitoplossing te combineren met nanodeeltjes en vervolgens duizenden kleine, identieke druppeltjes te vormen. In elk van deze druppeltjes interageren de eiwitten met de nanodeeltjes, waardoor ze eiwitkristallen vormen. Krediet: Massachusetts Institute of Technology
Een van de duurste stappen bij het maken van eiwitgeneesmiddelen zoals antilichamen of insuline is de zuiveringsstap: het isoleren van het eiwit uit de bioreactor die is gebruikt om het te produceren. Deze stap kan tot de helft van de totale productiekosten van een eiwit uitmaken.
In een poging om die kosten te helpen verlagen, hebben ingenieurs van MIT een nieuwe manier bedacht om dit soort zuivering uit te voeren. Hun aanpak, waarbij gebruik wordt gemaakt van gespecialiseerde nanodeeltjes om eiwitten snel te kristalliseren, zou kunnen helpen om eiwitgeneesmiddelen betaalbaarder en toegankelijker te maken, vooral in ontwikkelingslanden.
“Dit werk maakt gebruik van bioconjugaat-gefunctionaliseerde nanodeeltjes om te fungeren als sjablonen voor het verbeteren van de vorming van eiwitkristallen bij lage concentraties”, zegt Kripa Varanasi, een professor in werktuigbouwkunde aan het MIT en de senior auteur van de nieuwe studie. “Het doel is om de kosten te verlagen, zodat dit soort geneesmiddelenproductie betaalbaar wordt in ontwikkelingslanden.”
De onderzoekers toonden aan dat hun aanpak kan worden gebruikt om lysozym (een antimicrobieel enzym) en insuline te kristalliseren. Ze geloven dat het ook kan worden toegepast op veel andere nuttige eiwitten, waaronder antilichaamgeneesmiddelen en vaccins.
MIT-afgestudeerde student Caroline McCue is de hoofdauteur van de studie, die vandaag (28 februari) in het tijdschrift verschijnt ACS toegepaste materialen en interfaces. Henri-Louis Girard Ph.D. ’20 is ook een auteur van het papier.
Eiwitzuivering
Antilichamen en andere eiwitgeneesmiddelen maken deel uit van een groeiende klasse geneesmiddelen die bekend staat als biologische geneesmiddelen, die ook moleculen zoals DNA en RNA omvatten, evenals op cellen gebaseerde therapieën. De meeste eiwitgeneesmiddelen worden geproduceerd door levende cellen zoals gist in grote bioreactoren.
Zodra deze eiwitten zijn gegenereerd, moeten ze uit de reactor worden geïsoleerd, wat meestal gebeurt via een proces dat chromatografie wordt genoemd. Chromatografie, die eiwitten scheidt op basis van hun grootte, vereist gespecialiseerde materialen die het proces erg duur maken.
Varanasi en zijn collega’s besloten een andere aanpak te proberen, gebaseerd op eiwitkristallisatie. Onderzoekers kristalliseren vaak eiwitten om hun structuren te bestuderen, maar het proces wordt als te traag beschouwd voor industrieel gebruik en werkt niet goed bij lage eiwitconcentraties. Om die obstakels te overwinnen, ging het laboratorium van Varanasi op zoek naar structuren op nanoschaal om de kristallisatie te versnellen.
In eerder werk heeft het lab functies op nanoschaal gebruikt om materialen te maken die water afstoten of om interfaces aan te passen voor het injecteren van zeer stroperige biologische medicijnen. In dit geval wilden de onderzoekers nanodeeltjes aanpassen zodat ze lokaal de eiwitconcentratie aan het oppervlak konden verhogen en ook een sjabloon konden bieden waarmee de eiwitten correct konden worden uitgelijnd en kristallen konden vormen.
Om het oppervlak te creëren dat ze nodig hadden, bekleedden de onderzoekers gouden nanodeeltjes met moleculen die bioconjugaten worden genoemd – materialen die kunnen helpen bij het vormen van verbindingen tussen andere moleculen. Voor deze studie gebruikten de onderzoekers bioconjugaten genaamd maleïmide en NHS, die vaak worden gebruikt voor het taggen van eiwitten voor studie of het hechten van eiwitgeneesmiddelen aan nanodeeltjes die medicijnen afgeven.
Wanneer oplossingen van eiwitten worden blootgesteld aan deze gecoate nanodeeltjes, hopen de eiwitten zich op aan het oppervlak en binden zich aan de bioconjugaten. Bovendien dwingen de bioconjugaten de eiwitten om zichzelf uit te lijnen met een specifieke oriëntatie, waardoor een steiger ontstaat voor extra eiwitten om mee te gaan en zich bij het kristal aan te sluiten.
De onderzoekers demonstreerden hun aanpak met lysozyme, een enzym waarvan de kristallisatie-eigenschappen goed zijn bestudeerd, en insuline. Ze zeggen dat het ook op veel andere eiwitten kan worden toegepast.
“Dit is een algemene benadering die ook naar andere systemen kan worden geschaald. Als je de eiwitstructuur kent die je probeert te kristalliseren, kun je de juiste bioconjugaten toevoegen die dit proces zullen forceren”, zegt Varanasi.
Snelle kristallisatie
In hun studies met lysozym en insuline ontdekten de onderzoekers dat kristallisatie veel sneller plaatsvond wanneer de eiwitten werden blootgesteld aan de bioconjugaat-gecoate nanodeeltjes, in vergelijking met naakte nanodeeltjes of geen nanodeeltjes. Met de gecoate deeltjes zagen de onderzoekers een zevenvoudige vermindering van de inductietijd – hoe lang het duurt voordat kristallen beginnen te vormen – en een drievoudige toename van de nucleatiesnelheid, dat is hoe snel de kristallen groeien als ze eenmaal zijn begonnen.
“Zelfs bij lage eiwitconcentraties zien we dat er veel meer kristallen worden gevormd met deze bioconjugaat-gefunctionaliseerde nanodeeltjes”, zegt McCue. “De gefunctionaliseerde nanodeeltjes verminderen de inductietijd zoveel omdat deze bioconjugaten een specifieke plaats bieden voor de eiwitten om te binden. En omdat de eiwitten op één lijn liggen, kunnen ze sneller een kristal vormen.”
Daarnaast gebruikte het team machine learning om duizenden afbeeldingen van kristallen te analyseren. “Eiwitkristallisatie is een stochastisch proces, dus we hadden een enorme dataset nodig om echt te kunnen meten of onze aanpak de inductietijd en nucleatiesnelheid van kristallisatie verbeterde. Met zoveel beelden om te verwerken, is machine learning de beste manier om in staat zijn om te bepalen wanneer kristallen in elk beeld worden gevormd zonder ze allemaal handmatig te hoeven tellen, “zegt McCue.
Dit project maakt deel uit van een poging van de Bill and Melinda Gates Foundation om biologische medicijnen, zoals profylactische antilichamen waarvan is aangetoond dat ze malaria voorkomen in klinische onderzoeken, op grotere schaal beschikbaar te maken in ontwikkelingslanden.
Het MIT-team werkt nu aan het opschalen van het proces zodat het kan worden gebruikt in een industriële bioreactor, en om aan te tonen dat het kan werken met monoklonale antilichamen, vaccins en andere nuttige eiwitten.
“Als we het gemakkelijker kunnen maken om deze eiwitten overal te produceren, kan iedereen ter wereld hiervan profiteren”, zegt Varanasi. “We zeggen niet dat dit morgen door ons wordt opgelost, maar dit is een kleine stap die kan bijdragen aan die missie.”
Meer informatie:
Caroline McCue et al, Verbetering van eiwitkristalkiemvorming met behulp van in situ-templating op bioconjugaat-gefunctionaliseerde nanodeeltjes en machinaal leren, ACS toegepaste materialen en interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.2c17208
Tijdschrift informatie:
ACS toegepaste materialen en interfaces
Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology