Cum proteomica de nouă generație descifrează limbajul vieții
De la fluorescența moleculelor unice la citirile prin nanopori, platformele emergente deschid o nouă fereastră către diversitatea ascunsă a proteinelor, pe care spectrometria de masă o poate rata.
Un recent articol de revizuire publicat în Annual Review of Analytical Chemistry, cercetătorii de la Universitatea din Washington, Seattle, au sintetizat 137 de lucrări științifice pentru a clarifica starea actuală și potențialul viitor al proteomicii. Această revizuire subliniază că progresele tehnologice încep să redefinească domeniul, îndrumându-l de la măsurători pe scară largă către analiza de înaltă rezoluție a moleculelor individuale.
Deși spectrometria de masă (MS) rămâne standardul de aur, studii recente sugerează că aceasta întâmpină dificultăți în capturarea întregii diversități a „proteoformelor” (variantele diferite ale proteinelor care pot apărea dintr-un singur gen). Revizuirea arată cum metodele emergente de proteomică, unele dintre ele ajungând sau fiind aproape de implementarea comercială, au potențialul de a transforma descoperirile biologice viitoare, oferind o privire mai profundă și mai sensibilă asupra mecanismelor moleculare ale vieții.
În ultimele decenii, cercetările au stabilit că un singur gen poate produce nenumărate proteoforme biologic relevante prin procese precum proteoliza, splicingul alternativ și modificările posttranslaționale (PTM; modificări chimice ale unei proteine după ce aceasta este creată). Înțelegerea acestor variații este esențială pentru înțelegerea biologiei bolilor și pentru informarea cercetărilor biomedicale în domenii precum boala Alzheimer și cancerul.
Din păcate, instrumentele tradiționale, cum ar fi spectrometria de masă (MS), care identifică moleculele pe baza raportului masă-la-sarcină, adesea omită speciile cu abundență scăzută sau nu oferă o acoperire completă a secvenței, împiedicând astfel progresul cercetării. Revizuirea subliniază aceste limitări și necesitatea urgentă de „secvențiere” proteică de nouă generație care funcționează la nivelul moleculelor individuale.
Revizuirea se concentrează pe peisajul actual al analizei proteinelor, punând accent pe platformele proteomice de nouă generație, care au ajuns recent sau sunt aproape de a fi comercializate. Aceasta reunește rezultatele din 137 de publicații revizuite de colegi și se axează pe două grupuri majore de tehnologie, recunoscând totodată și alte abordări emergente:
Metodele bazate pe fluorescență: Aceste tehnici folosesc etichete emitente de lumină pentru a îmbunătăți identificarea aminoacizilor. Acestea includ tehnologii precum „fluorosequencing” (Erisyon), în care reziduurile specifice sunt etichetate și apoi îndepărtate secvențial prin degradarea Edman, și implementarea de către Quantum-Si a unui cip semiconductor pentru a monitoriza cinetica de legare a moleculelor „recunoaștoare” la capătul proteinelor. Revizuirea discută, de asemenea, despre platforma de cartografiere digitală a proteomicii de la Nautilus Biotechnology, care utilizează modele de legare iterative pentru a cuantifica proteoformele la nivelul moleculelor individuale.
Metodele prin nanopori: Această abordare implică trecerea unei proteine liniarizate printr-o deschidere de dimensiuni nanometrice. Pe măsură ce proteina trece, aceasta perturbă un curent electric într-un mod specific pentru secvența sa. Acest lucru este realizat în principal prin utilizarea porilor „solizi” anorganici sau a „proteinelor por” biologice încorporate într-o membrană. Unele metode includ, de asemenea, motoare moleculare (de exemplu, unfoldase ClpX) pentru a trasa proteina printr-o viteză controlată.
Revizuirea scoate în evidență realizările semnificative obținute de tehnologiile proteomice convenționale și emergente. De exemplu, sistemul „Platinum” de la Quantum-Si (lansat în 2022) a fost prima intrare comercială în acest domeniu. De la începutul său, tehnologia lor a ajuns să recunoască aproximativ 14 aminoacizi (începând cu sfârșitul anului 2025), permițând acoperirea a ~83,5% din proteomul uman.
Progresele realizate de Erisyon în tehnologiile de amprentare a proteinelor au demonstrat că etichetarea a doar patru aminoacizi (lizină, aspartat/glutamat, tirozina și triptofanul) ar trebui, conform studiilor de modelare, să fie suficientă pentru a identifica în mod unic ~95% din proteinele din proteomul uman. Este demn de menționat că platforma Erisyon a demonstrat deja capacitatea de a identifica proteine din amestecuri la scară zeptomol în experimentele de dovedire a conceptului.
Așa-numitul test IMaP (mapping iterative a proteoformelor) de la Nautilus Biotechnology a identificat 130 de grupuri distincte de proteoforme tau (o proteină legată de boli neurodegenerative), revelând modele complexe de fosforilare care ar fi greu de capturat în mostrele de masă.
În același timp, progresele recente în tehnologiile de nanopori („rereading”) au îmbunătățit semnificativ acuratețea în cadrul sistemelor experimentale specifice, un studiu (utilizând un motor procesiv de proteină) arătând că, în timp ce o singură trecere ar putea clasifica corect aminoacizii doar 28% din timp, 10 „rereads” ale aceleași molecule au îmbunătățit acuratețea la 61%. În plus, porii funcționalizați care folosesc ioni de Ni2+ au demonstrat capacitatea de a obține sensibilitatea necesară pentru a distinge toți cei 20 de aminoacizi proteinogeni.
În concluzie, revizuirea sugerează că, deși metodele emergente de proteomică la nivelul moleculelor individuale se apropie de maturitatea comercială, acestea rămân complementare abordărilor tradiționale bazate pe MS. Deși aplicarea „etichetelor” specializate care facilitează mișcarea proteinelor în proteomica la scară largă rămâne o provocare practică majoră, aceste tehnologii sunt pregătite să devină o parte esențială a cercetărilor biologice, oferind o viziune de înaltă definiție asupra variațiilor moleculare care influențează sănătatea umană și bolile.
