Wissenschaftler testen mithilfe von Schallwellen, wie gut synthetische Antikörper an ihre Antigenziele binden

7. Juni 2023

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von Cell Press

Für wesentliche Prozesse wie enzymatische Reaktionen, Antikörperbindung und Reaktion auf Medikamente sind wir auf temporäre Protein-Protein-Bindungen angewiesen. Die Fähigkeit, diese Bindungen genau zu charakterisieren, ist wichtig, um die Leistung potenzieller Therapien zu testen. Die derzeit verfügbaren Methoden hierfür sind jedoch in ihrer Fähigkeit begrenzt, entweder Informationen auf der Ebene einzelner Bindungen bereitzustellen oder eine große Anzahl von Bindungen zu testen.

Am 7. Juni präsentierten Forscher im Biophysical Journal eine besser zugängliche Methode zur Messung der Stärke und Dauer von Protein-Protein-Bindungen unter ähnlichen Belastungen, wie sie sie in unserem Körper erfahren würden. Die Methode nutzt Schallwellen, um gebundene Proteine ​​auseinanderzuziehen, und DNA-Leinen, um die beiden Proteine ​​eng beieinander zu halten, sodass sie sich wieder verbinden können, nachdem ihre Verbindung unterbrochen wurde. Diese Innovation ermöglicht es, dieselben Proteinbindungen bis zu 100 Mal erneut zu testen und liefert wertvolle Informationen darüber, wie sich die Bindungsstärke mit zunehmendem Alter der Moleküle ändert.

„Wir wollten eine Methode vorschlagen, die ausreichend modular ist, um auf verschiedene Arten von Bindungen angewendet zu werden, die einen angemessenen Durchsatz hat und eine hohe molekulare Präzision erreicht, die derzeit nur mit sehr ausgefeilten Techniken wie optischen oder magnetischen Pinzetten erreichbar ist, die häufig verwendet werden.“ für Laien schwer zu verstehen“, sagt der leitende Autor Laurent Limozin, Biophysiker am Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS).

Dazu kombinierte Limozins Team in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Marseille und Paris zwei bestehende Technologien: akustische Kraftspektroskopie, mit der viele Molekülpaare gleichzeitig getestet werden können, und DNA-Gerüste, mit denen dieselben Bindungen wiederholt getestet werden können.

Bei der akustischen Kraftspektroskopie werden Paare gebundener Proteine ​​in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer getestet. Die Proteine ​​werden durch ein DNA-Gerüst zurückgehalten, sodass ein DNA-Strang das erste Protein am Boden der Kammer befestigt, während ein anderer Strang das zweite Protein an einer kleinen Silikatperle befestigt. Wenn die Forscher die Kammer mit einer Schallwelle beschallen, zieht die Kraft der Welle die Siliziumperle – und das Protein, an dem sie befestigt ist – vom Boden der Kammer weg. Wenn die Kraft stark genug ist, reißt dieser Zug die Bindung zwischen den beiden Proteinen auf. Bei dieser neuen Methode fungiert jedoch ein dritter DNA-Strang als Leine, um die Proteine ​​nach dem Aufbrechen ihrer Bindung dicht beieinander zu halten.

„Die Originalität unserer Methode besteht darin, dass man zusätzlich zu diesen beiden Strängen auf jeder Seite in der Mitte eine Leine hat, die die beiden Stränge verbindet und die Proteine ​​beim Bruch zusammenhält“, sagt Limozin. „Ohne diese Leine wäre die Ablösung irreversibel, aber dadurch kann man die Messung fast beliebig oft wiederholen.“

Als Proof of Concept nutzte das Forschungsteam die Technik, um zwei Einzelmolekülinteraktionen von biomedizinischem Interesse zu charakterisieren – die Bindung zwischen Proteinen und Rapamycin, einem immunsuppressiven Medikament, und die Bindung zwischen einem Einzeldomänen-Antikörper und einem HIV-1-Antigen.

Die Forscher beobachteten diese Zyklen des Verklebens und Aufbrechens mit einem Mikroskop. Die Möglichkeit, dieselbe Protein-Protein-Bindung mehrmals testen zu können, ist wichtig, um Variationen zwischen molekular identischen Paaren zu untersuchen. Außerdem können Forscher damit untersuchen, wie sich diese Wechselwirkungen mit zunehmendem Alter der Moleküle verändern, was für die Bestimmung der Halbwertszeit von Arzneimitteln oder Antikörpern wichtig sein könnte.

„Mit diesem Tool haben wir die Möglichkeit, tiefer zu gehen und experimentelle Ideen über molekulare Heterogenität und molekulare Alterung wirklich zu untersuchen“, sagt Limozin. „Wir und andere vermuten, dass die Charakterisierung dieser Eigenschaften für die Entwicklung zukünftiger Therapeutika, die in Situationen funktionieren müssen, in denen mechanische Kräfte im Spiel sind, sehr nützlich sein wird.“

Mehr Informationen: Kombination von DNA-Gerüsten und akustischer Kraftspektroskopie zur Charakterisierung einzelner Proteinbindungen, Biophysical Journal (2023). DOI: 10.1016/j.bpj.2023.05.004

Zeitschrifteninformationen:Biophysikalisches Journal

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