Många av de mest lovande läkemedlen under utveckling är proteiner, ofta antikroppar, för att hjälpa patienter att bekämpa sjukdomar. Dessa proteiner måste renas som en del av tillverkningsprocessen - en uppgift som kan vara knepig och resultera i kostsamt avfall.

Forskare har kämpat för att direkt mäta rörelsen av proteiner, känd som proteindiffusion, i material som innehåller både fasta och flytande komponenter. De har också varit oense om hur rörelse på ytan av materialet bidrar till proteinrörelse vid användning av jonbyteskromatografi, en laboratorie- och tillverkningsmetod för att separera material baserat på deras laddning. Proteiner kan krypa in i porerna på hartspärlor som används för att utföra jonbyteskromatografi och binda på väggarna, baserat på avgift.

Nu, ett team av ingenjörer från University of Delaware, med en samarbetspartner från läkemedelsföretaget Amgen, har visat att ytdiffusion i proteintransport till jonbytarpärlor beror på adsorptionsaffinitet - ett mått på attraktion mellan de två materialen. Genom att utnyttja denna relation, teamet utvecklade en procedur för att rena en monoklonal antikropp – en typ av molekyl som förmedlar immunitet – med produktivitet 43 % högre än vanligt.

Teamets resultat publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences i mars. Tidningens författare inkluderar Ohnmar Khanal, en doktorand i kemiteknik; Vijesh Kumar, postdoktor i kemiteknik; Fabrice Schlegel, en huvudingenjör vid Amgen; och Abraham Lenhoff, Allan P. Colburn Professor i kemiteknik.

"Vi presenterar ett mycket starkt argument för betydelsen av ytdiffusion, och vi använder flera metoder för att bekräfta dess betydelse genom en enkel teknik som kan implementeras direkt, sa Khanal.

Teamet använde kromatografi, mekanistisk modellering, konfokalmikroskopi och småvinklar neutronspridning. Det senare utfördes vid National Center for Neutron Research vid National Institute for Standards and Technology.

Genom att förstå och utnyttja proteinytdiffusion i jonbyteskromatografi, forskare kan bygga vidare på detta arbete och utveckla metoder för att minska avfallet under den dyra läkemedelstillverkningsprocessen.

"Jonbyteskromatografi av proteiner är en absolut nyckeloperation inom biofarmaceutisk tillverkning, sa Lenhoff.

Kumar och Lenhoff arbetar nu med ett separat projekt finansierat av National Institute for Innovation in Biopharmaceutical Manufacturing, baserad på University of Delaware, att utveckla matematiska modeller för kromatografi, som skulle kunna möjliggöra effektivare sätt att designa och utveckla tillverkningsprocesser.

Forskare kan också bygga vidare på denna nya grundläggande förståelse av proteindiffusion och kanske tillämpa den på andra problem. Proteindiffusion på ytor är ett viktigt fenomen inuti kroppen, för. Rörelse och flimmer av amyloid-ß i hjärnan har associerats med neurogenerativa sjukdomar, till exempel, och proteinytdiffusion kan påverka prestandan hos biosensorer.

"Detta är ett exempel på hur grundforskning kan leda till praktiska tillämpningar och betydande förbättringar av dessa praktiska tillämpningar, sa Lenhoff.

Och allt började med en brainstorm, där Khanal föreslog mer djupgående undersökning av ytdiffusions förhållande till bindningsaffinitet på de laddade ytorna med hjälp av komplementära verktyg.

"När vi började med det här, vi trodde aldrig att vi skulle gå så långt, " sa Kumar. "Det började som en väldigt liten idé."