Optimizarea purificării proteinelor membranare într-un flux de lucru rapid
În ciuda faptului că reprezintă aproximativ 60% din toate medicamentele aprobate, proteinele membranare rămân printre cele mai dificile proteine de analizat.
Andreas Kronberg discută despre cum un nou flux de lucru automatizat transformă purificarea proteinelor membranare într-un proces rapid, simplu și reproducibil, care păstrează structura proteică naturală și poate fi finalizat în mai puțin de trei ore în laboratoarele standard.
Proteinele membranare au roluri esențiale în biologia umană. Acestea sunt integrate în bilayerul de lipide al celulelor umane, detectând semnalele externe, cum ar fi hormonii, nutrienții sau moleculele de semnalizare, și le traduc în răspunsuri celulare. Ele controlează astfel comunicarea celulelor cu mediul înconjurător, reglează ce molecule intră sau ies din celulă și coordonează căile de semnalizare critice implicate în metabolism, procese imune și creștere. Importanța lor este reflectată în dezvoltarea medicamentelor: în ciuda faptului că reprezintă doar aproximativ 30% din proteinele umane, proteinele membranare sunt țintite de aproximativ 60% din toate medicamentele aprobate.
Proteinele membranare formează o legătură directă între mecanismele biologice fundamentale și dezvoltarea medicamentelor, fiind relevante în aproape toate domeniile terapeutice. Acestea sunt vizate de molecule mici clasice, biotehnologii și noi modalități terapeutice emergente. Cele mai importante clase de proteine includ receptori, canale ionice, transportori și enzime legate de membrană. Receptorii cu proteine G (GPCR) sunt cea mai mare și versatilă clasă de ținte, datorită accesibilității lor la suprafața celulară.
Chiar dacă au o semnificație farmacologică imensă, proteinele membranare sunt considerate ținte foarte dificile. Aproximativ 30% din toate tipurile de proteine din organism sunt proteine membranare, dar mai puțin de 10% au fost caracterizate. Această discrepanță remarcabilă se datorează în mare parte dependenței lor de mediul lipidic natural. Odată ce sunt îndepărtate din bilayerul lipidic al celulei, ele își pierd adesea structura și devin instabile sau inactive.
Proteinele membranare, fiind proteine amfipatice, nu pot fi pur și simplu extrase în sisteme apoase și necesită detergenți sau mimetice lipidice, procese care sunt consumatoare de timp, laborioase și adesea compromit stabilitatea. Mai mult, proteinele membranare sunt adesea disponibile doar în cantități mici, iar determinarea structurii lor poate fi o provocare. Multe, cum ar fi canalele ionice și transportorii, sunt extrem de dinamice și adoptă multiple stări conformaționale, ceea ce face dificilă definirea unei structuri țintă clare.
Stabilitatea, integritatea structurală și funcționalitatea sunt esențiale pentru toate aplicațiile ulterioare. Proteinele membranare cu structuri alterate pot fi inadecvate pentru analize ulterioare, făcând întreaga procesare ineficientă. Chiar mai provocatoare sunt cazurile în care proteinele extrase par intacte, dar sunt structural alterate. În astfel de situații, candidații pentru medicamente pot fi optimizați împotriva conformațiilor țintă incorecte, iar erorile devin adesea evidente abia în etapele ulterioare ale dezvoltării, ceea ce poate duce la întârzieri semnificative și pierderi financiare substanțiale.
Analytik Jena colaborează cu Cube Biotech pentru a dezvolta un nou flux de lucru care simplifică purificarea proteinelor membranare. Acest proces abordează două dintre cele mai critice blocaje în cercetarea proteinelor membranare: pierderea structurii native a proteinelor și complexitatea purificării. Proteinele membranare pot fi acum izolate în structura lor 3D naturală în mai puțin de trei ore, în timp ce fluxurile de extracție tradiționale puteau dura zile sau chiar săptămâni.
Noul flux de lucru permite procesarea complet automată, fără detergenți. Acesta combină manipularea automată a lichidelor cu platforma CyBio FeliX și tehnologia avansată de purificare pe bază de polimeri PlateXTM de la Cube Biotech. Procesul este simplu, reproducibil și potrivit pentru laboratoare standard, utilizatorii având doar sarcina de a încărca probele și reactivii, în timp ce sistemul se ocupă de pașii următori, livrând rezultate consistente și randamente semnificativ mai mari.
Metoda Cube Biotech se bazează pe o strategie de extracție fără detergenți, care înlocuiește detergenții convenționali cu copolimeri. În timp ce detergenții pot perturba structura membranei și îndepărta lipidele esențiale, acești copolimeri solubilizează delicat proteinele membranare împreună cu porțiuni din bilayerul lipidic înconjurător. Aceasta permite proteinelor să rămână în structuri asemănătoare nanodiscurilor care păstrează mediul lipidic natural, esențial pentru menținerea unei pliabilități corecte, integrității structurale și funcționalității biologice.
Automatizarea joacă un rol esențial în acest flux de lucru. Pe platforma CyBio FeliX, pașii critici precum solubilizarea, legarea și spălarea sunt efectuați într-o manieră standardizată. Un mare avantaj este calitatea amestecului, care asigură o interacțiune eficientă între probă, copolimeri și bile, ceea ce este dificil de realizat manual, contribuind astfel la randamente mai mari și mai constante.
Parteneriatul dintre Analytik Jena și Cube Biotech reunește expertize complementare în biochimie și automatizare, iar schimbul continuu între cele două părți face acest lucru eficient. Investim timp în a înțelege provocările și capacitățile fiecărei părți, „învățându-ne” reciproc pentru a alinia optimal chimia și automatizarea.
Fluxul de purificare a proteinelor membranare, care tradițional dura zile sau săptămâni, poate acum fi finalizat în câteva ore. Proteinele membranare native pot fi generate rapid și reproducibil, reducând semnificativ riscurile tehnice și resursele necesare. În esență, acest flux de lucru transformă ceea ce a fost un proiect cu risc ridicat într-un experiment de rutină.
Cercetătorii pot avansa mai repede de la ipoteză la validarea experimentală, evaluând mai multe ținte, comparând mai multe variante și luând decizii mai devreme în procesul de descoperire. Fluxurile de lucru predictibile simplifică planificarea proiectelor și reduc incertitudinea. Riscurile tehnice și financiare mai mici fac mai ușor justificarea noilor proiecte de proteine membranare și pot îmbunătăți accesul la finanțare în cercetare, în special în mediul academic.
Pentru companiile farmaceutice, un flux de purificare mai rapid și mai simplu ar putea influența descoperirea medicamentelor în stadii incipiente și validarea țintelor. Procesele care erau anterior cu risc ridicat devin predictibile, scalabile și rentabile. Cicloarele de screening mai rapide și consistența mai mare a rezultatelor conduc la date mai fiabile, permițând decizii mai bine informate în descoperirea medicamentelor, în special în timpul validării țintelor.
Interesul actual în cercetarea proteinelor membranare este stimulat de progrese tehnologice semnificative, inclusiv microscopia crio-electronică și predicția structurii asistată de AI, care au extins considerabil înțelegerea proteinelor membranare și au dezvăluit noi ținte terapeutice. Totuși, identificarea țintelor promițăto
