Onderzoekers gebruiken multivalente gouden nanodeeltjes om efficiënte moleculaire sonde te ontwikkelen

Cellen spelen een precies spelletje telefoon, waarbij ze berichten naar elkaar sturen die verderop tot acties leiden. Met duidelijke signalering bereiken de cellen hun doelen. Bij ziekte breken de signalen echter af en resulteren in verwarde berichten en onbedoelde gevolgen. Om deze signalen te helpen ontleden en hoe ze functioneren in de gezondheid – en mis gaan bij ziekte – labelen wetenschappers eiwitten met labels die ze kunnen volgen terwijl de eiwitten interageren met de moleculaire wereld om hen heen.

De uitdaging is om uit te zoeken welke eiwitten in de eerste plaats moeten worden gelabeld. Nu heeft een team onder leiding van onderzoekers van de Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) een nieuwe benadering ontwikkeld voor het identificeren en labelen van de specifieke eiwitten. Ze publiceerden hun resultaten op 1 juni in Angewandte Chemie.

“We zijn geïnteresseerd in het onderzoeken van eiwitreceptoren van bepaalde koolhydraatmoleculen die betrokken zijn bij het mediëren van celsignalering, met name in kankercellen”, zegt auteur Kaori Sakurai, universitair hoofddocent bij de afdeling Biotechnologie en Life Science aan TUAT.

De koolhydraatmoleculen, liganden genaamd, worden typisch tot expressie gebracht op het oppervlak van cellen en het is bekend dat ze dynamisch complexen vormen met eiwitreceptoren om gecompliceerde cellulaire functies te coördineren. Sakurai zei echter dat de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het binden van de koolhydraten moeilijk te identificeren zijn omdat ze zo zwak binden aan de moleculen.

De onderzoekers ontwierpen een nieuw type koolhydraatprobe die niet alleen aan de moleculen zou koppelen, maar er ook stevig aan zou binden.

“We gebruikten gouden nanodeeltjes als een scaffold om zowel koolhydraatliganden als elektrofielen – een chemische stof die graag reageert met andere moleculen – op een multivalente manier te bevestigen,” zei Sakurai. “Op deze manier waren we in staat om de bindingsaffiniteit en reactie-efficiëntie voor koolhydraatbindende eiwitten aanzienlijk te verhogen.”

De onderzoekers pasten de ontworpen sondes toe op cellysaat, een vloeistof die de ingewanden van afgebroken cellen bevat.

“De sondes vonden snel de beoogde koolhydraatbindende eiwitten, waardoor de elektrofiele groepen reageerden met elektronendonerende aminozuurresiduen op nabijgelegen eiwitten,” zei Sakurai. “Dit resulteerde in eiwitten die stevig verknoopt zijn met het oppervlak van de gouden nanodeeltjes, waardoor het gemakkelijk is om hun identiteit vervolgens te analyseren.”

Het team evalueerde verschillende elektrofiele groepen om het meest efficiënte type te identificeren voor het labelen van hun doeleiwitten.

“We ontdekten dat een bepaalde elektrofiele groep, arylsulfonylfluoride genaamd, het meest geschikt is voor affiniteitslabeling van koolhydraatbindende eiwitten”, zegt co-auteur Nanako Suto, een afgestudeerde student aan de afdeling Biotechnologie en Life Science van TUAT. “Ze zijn echter zelden gebruikt om doeleiwitten te identificeren, vermoedelijk omdat ze niet-selectief zouden reageren met verschillende andere, ongewenste eiwitten.”

De omvang van het gebruik van arylsulfonylfluoride lijkt het probleem echter te verminderen.

“De niet-selectiviteit is geen probleem als arylsulfonylfluoride wordt gebruikt in zeer lage concentraties, op nanoschaal”, zegt co-auteur Shione Kamoshita, ook een afgestudeerde student bij de afdeling Biotechnologie en Life Science, TUAT .

De gouden nanodeeltjessteiger toont veel kopieën van de elektrofiele groep, die de lokale concentratie van arylsulfonylfluoride hoog op het oppervlak van de nanodeeltjes houdt, maar ze weerhoudt van het algemene celsysteem en reageert op ongewenste eiwitten. Met de hoge concentratie op nanoniveau kunnen sommige kopieën van elektrofiele groepen efficiënt reageren met doeleiwitten.

“Door dit proces waren we in staat om zeer efficiënte en selectieve affiniteitslabeling van koolhydraatbindende eiwitten in cellysaat te bereiken,” zei Sakurai. “We zullen de nieuwe methode toepassen bij de identificatie van verschillende kankergerelateerde koolhydraatliganden en hun functie bij de ontwikkeling van kanker onderzoeken. Tegelijkertijd willen we de algemene bruikbaarheid van dit nieuwe sondeontwerp voor verschillende andere bioactieve kleine moleculen onderzoeken, zodat we kunnen de opheldering van hun mechanismen versnellen.”