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Individuelle Ionenmassenspektrometrie: Leistungsstarke neue Methode zur Untersuchung einzelner Moleküle

Individuelle Ionenmassenspektrometrie

(Klicken Sie auf das Bild, um es vollständig anzuzeigen.) Einzelne Moleküle von Proteinen oder virusähnlichen Partikeln, die sich um den im Handel erhältlichen Orbitrap-Analysator drehen, um ihre genaue Masse zu bestimmen. Bildnachweis: Michael Mullowney / Northwestern University

Präzisionsmessungen können das Verständnis von Krankheiten, Infektionen und Impfstoffen erleichtern.

Die Biologie kann trübe sein, und in der Medizin geht es um sehr komplexe Molekülmischungen. Eine neue Technologie entwickelt bei Northwestern University bietet jetzt Wissenschaftlern Klarheit mit Präzisionsmessungen von Proteinen bis zu ihren Atomen.

Der leistungsstarke neue Ansatz, der als Einzelionen-Massenspektrometrie oder I2MS bezeichnet wird, kann die genaue Masse einer Vielzahl intakter Proteine ​​bestimmen. Es wiegt jedes einzelne Molekül individuell. Diese Fähigkeit verspricht, das Verständnis von Krankheiten und Infektionen zu fördern und das Design von Impfstoffen gegen tödliche Viren wie das Coronavirus zu beschleunigen.

Details zu dieser grundlegend neuen Methode zum Wiegen einzelner Moleküle von Proteinen oder ihrer Anordnungen, wie z. B. ganze Viren, wurden am 2. März 2020 von der Zeitschrift veröffentlicht Naturmethoden.

Die Forscher zeigen, dass ihre Methode, die das im Handel erhältliche Orbitrap-Massenanalysesystem verwendet, auf superkomplexen Gemischen intakter Proteine ​​und sogar ganzen Viruspartikeln angewendet werden kann, die verschiedene Ladungen in sich tragen. Diese Kraft und Vielseitigkeit wird es ermöglichen, eine neue Welle molekularer Präzision auf verschiedene Probleme in der Vakzinologie, Virologie, neurodegenerativen Plaques und der Krankheitsbiologie im Allgemeinen zu bringen.

“Die schnelle Charakterisierung der Massen von Viren und ihrer infektiösen Ladung im Laufe der Zeit kann Wissenschaftlern helfen, auftretende Mutationen zu verstehen”, sagte Neil L. Kelleher, der die Forschung leitete.

“Unabhängig davon, ob verschiedene Virusstämme direkt charakterisiert oder verschiedene Impfstoffformulierungen profiliert werden, kann unsere neue Technologie jetzt direkt auf diese proteinhaltigen Proben angewendet werden, um die dringendsten Herausforderungen des Tages zu bewältigen”, sagte er.

Kelleher ist ein Pionier in der Top-Down-Proteomik mit einer der weltweit führenden Gruppen, die intakte Proteine ​​untersucht. Er ist der Walter und Mary Elizabeth Glass Lehrstuhl für Biowissenschaften an den Abteilungen für Chemie und Molekularbiowissenschaften des Weinberg College of Arts and Sciences.

Die Technologie wird Wissenschaftlern helfen, die Zusammensetzung des Äußeren eines Virus (Kapsid genannt) und der im Kapsid enthaltenen infektiösen Ladung besser zu verstehen, sagte Kelleher. Da die Forscher eine Handvoll einzelner Viruspartikel gleichzeitig analysieren können, können sie Informationen über genaue Variationen in jedem Partikel extrahieren.

“Viele Forschungsgruppen untersuchen die Verwendung von mit Fracht gefüllten viralen Kapsiden als Mittel zur Abgabe lebensrettender Medikamente an Patienten”, sagte Jared O. Kafader, der Erstautor der Studie. “Unsere Technologie bietet eine praktische Möglichkeit, um festzustellen, ob die Ladung das richtige Medikament enthält, oder um herauszufinden, was sich tatsächlich in jedem Viruspartikel befindet.”

Kafader ist Senior Research Associate im Proteomics Center of Excellence im Nordwesten. (Proteomics ist das Studium und die Analyse der Proteinstruktur und -funktion.)

Eine verwandte Studie der Kelleher-Gruppe, die kürzlich im Journal of Proteome Research veröffentlicht wurde, erweitert die Analyse von I2MS auf die Fragmentierung intakter Arten. Durch die Fragmentierung intakter Proteine ​​wichtige Informationen darüber, wo Modifikationen oder Mutationen am Protein identifiziert werden können, sagten die Forscher. Diese Modifikationen haben Auswirkungen auf das Verständnis, wie sich Proteine ​​bei Krebspatienten verändern oder mutieren.

Referenz: “Multiplex-Massenspektrometrie einzelner Ionen verbessert die Messung von Proteoformen und ihren Komplexen” von Jared O. Kafader, Rafael D. Melani, Kenneth R. Durbin, Bon Ikwuagwu, Bryan P. Early, Ryan T. Fellers und Steven C. Beu Vlad Zabrouskov, Alexander A. Makarov, Joshua T. Maze, Deven L. Shinholt, Ping F. Yip, Danielle Tullman-Ercek, Michael W. Senko, Philip D. Compton und Neil L. Kelleher, 2. März 2020, Naturmethoden.
DOI: 10.1038 / s41592-020-0764-5

Die Forschung wurde vom National Institute of General Medical Sciences, den National Institutes of Health (Grant P41 GM108569), Thermo Fisher Scientific und der Sherman Fairchild Foundation unterstützt.

Kelleher ist außerdem Professor an der medizinischen Fakultät der Feinberg School of Medicine. Er ist Mitglied des Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center der Northwestern University und des Chemistry of Life Processes Institute.