Ett nordvästledat forskargrupp för syntetisk biologi har kombinerat teknik för att utveckla en ny bioteknik som lovar att påskynda forskning om proteinterapier som en dag kan bli nästa försvar mot antibiotikaresistenta supergerger eller nästa nya läkemedel.
Det började när Milan Mrksich, Henry Wade Rogers professor i biomedicinsk teknik, kemi, och cell- och molekylärbiologi, och kollegan Michael Jewett, Charles Deering McCormick professor i excellens i undervisning och docent i kemisk och biologisk teknik, bestämde sig för att jämföra anteckningar och kombinera krafter.
Paret, som leder Northwestern's Center for Syntetic Biology, där Mrksich är regissör och Jewett är medregissör, undrade vad de kunde åstadkomma om de kombinerade Mrksich labs masspektrometri teknik med Jewett labs expertis inom glykosylering och snabbt framställning av proteiner.
Glykosylering, som är fastsättning av socker till proteiner, spelar en avgörande roll för hur proteiner bildas och fungerar i celler och hur celler interagerar med andra celler. Det är också viktigt vid studier av sjukdomar och bioteknik.
Deras idéer började kristallisera när de använde sig av glykosyleringsteknik från nära samarbetspartner Matt DeLisa, William L. Lewis professor i teknik vid Robert Fredrick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering vid Cornell University.
Tillsammans utvecklade de en ny plattform för att karakterisera och optimera sekvenser för framställning av glykoproteiner med hjälp av cellfri proteinsyntes och masspektrometri.
Det resulterande framsteget beskrivs i "Design av glykosyleringsställen genom snabb syntes och analys av glykosyltransferaser, "publicerad den 7 maj av tidningen Natur kemisk biologi . Mrksich och Jewett är de motsvarande författarna. De två medledande författarna är Weston Kightlinger, en doktorand i Jewetts lab, och Liang Lin, doktorand i Mrksichs lab.
Den nya tekniken lovar att påskynda den tid som krävs för att testa föreningar för potentiella nya läkemedel. Så sent som för några decennier sedan, droger baserades på naturprodukter som var tråkigt isolerade och karakteriserades från växter och andra naturliga källor.
Men när kemister lärde sig att göra bibliotek med ett stort antal molekyler - som idag är i miljoner - och en gång tog tekniken fram laboratorieautomatisering som ett verktyg, forskare och ingenjörer kunde snabbt testa miljontals föreningar inom några veckor för att identifiera bra utgångspunkter för läkemedelsutveckling.
Fortfarande, Mrksich förklarade, inom syntetisk biologi, cykeltiden för att testa varje enzym-substratinteraktion kan ta veckor eller månader.
"Vi har påskyndat processen radikalt, "Mrksich sa." Där forskare idag kan utvärdera ett par hundra potentiella glykosyleringstaggar under en viss period, Vi har sammanställt två tekniker med hög kapacitet som gör det möjligt för oss att utvärdera flera tusen i samma tidsram. "Dessa taggar är viktiga eftersom glykosylering finns i 70 procent av proteinterapeutika som redan är godkända eller i preklinisk utvärdering.
Processen fungerar genom att kombinera tre tekniker från nordvästra laboratorier:
Kombinerat med glycoengineeringskunskapen från DeLisas lab, den kombinerade tekniken analyserar glykosylering snabbt och effektivt.
"Vi utvecklade peptidarrayer där vi har en platta ungefär lika stor som din hand som har cirka 1, 500 cirkulära områden på den, "Mrksich sa." Var och en av dessa regioner har fäst en annan peptidmärke till den, och vi kan applicera enzymlösningen jämnt över hela arrayen och var och en av peptidtaggarna kan sedan glykosyleras. "
Efter att tallriken har sköljts, hela matrisen kan analyseras med masspektrometri, som kvantifierar mängden glykosylering av varje peptid.
"På en dag, vi kan utvärdera tusentals olika peptidtaggar för att identifiera de optimala för glykosylering som vi sedan går vidare med, "Sa Mrksich.
Resultatet är inte bara mycket snabbare utan ger också mycket mer detaljerad data. "Vår metod gör att vi inte bara kan välja vinnarna, som vi vanligtvis letar efter i vetenskapliga experiment, men misslyckanden också, "Sa Jewett.
Teamet kallade processen GlycoSCORES, eller glykosyleringssekvens karakterisering och optimering genom snabbt uttryck och screening.
DeLisa sa att han var upphetsad över att använda den nya tekniken för att ta upp ett antal öppna frågor om hur olika glykosyleringsenzymer fungerar.
"Denna teknik gör att vi kan ställa mycket mer exakta och vetenskapliga frågor på detta område än vad som tidigare hade varit möjligt, "sa han." Den nya kunskap som härleds kan verkligen förändra spelet när det gäller vår förmåga att konstruera glykoproteiner med önskvärda egenskaper. "
