Bei der Raman-Spektroskopie wurden in der Vergangenheit bei optischen Messungen lebende Proteine beschädigt, was zu inkonsistenten Ergebnissen führte. Forscher der Texas A&M University und von TEES haben einen neuen Ansatz namens Thermostable-Raman-Interaction-Profiling (TRIP) eingeführt, der Screenings in niedriger Konzentration und geringer Dosis auf Protein-Ligand-Wechselwirkungen unter relevanten Bedingungen ermöglicht und markierungsfreie, hochwirksame Tests verspricht reproduzierbare Messungen und potenzielle Anwendungen für schnelle und kostengünstige Arzneimittel-, Impfstoff- und Virustests sowie DNA-Analysen.
Raman-Spektroskopie, eine Technik zur Analyse von Chemikalien, bei der monochromatisches Licht auf eine Probe projiziert und das dabei austretende Streulicht beobachtet wird, sorgt seit über 50 Jahren für Frustration bei biomedizinischen Forschern. Die durch das Licht erzeugte Wärme zerstört lebende Proteine während der optischen Messungen nahezu, was zu reduzierten und nicht wiederholbaren Ergebnissen führt. Doch seit Kurzem gehören diese Frustrationen möglicherweise der Vergangenheit an.
Eine Gruppe von Forschern des Institute for Quantum Sciences and Engineering der Texas A&M University und der Texas A&M Engineering Experiment Station (TEES) hat eine neue Technik entwickelt, die Screenings von Protein-Ligand-Wechselwirkungen in physiologischer Hinsicht bei niedriger Konzentration und niedriger Dosis ermöglicht relevanten Bedingungen. Dieser neue Ansatz mit dem Titel Thermostable-Raman-Interaction-Profiling (TRIP) ist eine paradigmenwechselnde Antwort auf ein seit langem bestehendes Problem, das markierungsfreie, hoch reproduzierbare Raman-Spektroskopiemessungen ermöglicht.
„Protein ist ein sehr fragiles biologisches Molekül und erfordert besondere Pflege“, sagte Hauptautor und Postdoktorand Dr. Narangerel Altangerel. „Wenn ich die Oberfläche oder das Substrat abkühle, kann ich die Proteine glücklich machen. Ich kann sie mit dem Laser anstechen und sie können jetzt die Informationen ausgeben, die ich brauche.“
Obwohl die untersuchten Proteine auf molekularer Ebene vorliegen, könnten die Auswirkungen dieser Erkenntnisse enorm sein. Wie ein Schlüssel und Schloss ist eine Protein-Ligand-Wechselwirkung der erste Schritt in Prozessen wie Signaltransduktion, Immunantworten und Genregulation. Aufgrund der Fähigkeit von TRIP, Protein-Ligand-Wechselwirkungen in Echtzeit zu erkennen, kann der Zeitrahmen für Arzneimittel- und Impfstofftests verkürzt werden. Eine andere Anwendung könnte klinischer Natur sein und langwierige Tests zur Erkennung von a erfordern Virus in eine Bearbeitung am selben Tag mit genauen Ergebnissen.
„Der Grundgedanke der Spektroskopie-Gesetzgebung besteht darin, dass für die Probenvorbereitung ein Minimum bis gar nichts erforderlich ist, sodass dies sofort in die Klinik übertragen werden kann“, sagte Co-Autor und Universitätsprofessor in der Abteilung für Biomedizintechnik Dr. Vladislav Yakovlev. „Ärzte und Patienten müssen nicht tage- und wochenlang auf die Analyse warten. Sie können alle diese Antworten fast sofort erhalten.“
Ein zusätzlicher Vorteil der TRIP-Technik besteht darin, dass die für die Durchführung des Tests erforderliche Probengröße viel kleiner ist und eine geringere Proteinkonzentration erfordert, was einen kostengünstigeren Testprozess bedeutet.
„Ich habe 100 Mikroliter einer Probe für 3.500 US-Dollar gekauft, dann muss ich diese Probe mit mehreren Leuten teilen und am Ende habe ich nur eine 20 bis 30 Mikroliter große Probe“, sagte Altangerel. „Dadurch war ich gezwungen, eine kleinere Probe zu verwenden, was die Durchführung von Raman erschwerte, da es sich bei Proben mit geringer Konzentration um einen schwachen Prozess handelt. Das hat mich dazu gebracht, mich selbst herauszufordern, verschiedene Dinge auszuprobieren.“
Trotz des Durchbruchs sucht das Team nach anderen Aspekten, bei denen die TRIP-Methode nützlich sein könnte.
„In einem Folgeartikel versuchen wir, die chemische Zusammensetzung dieser Proteine mithilfe dieser Technik zu identifizieren, damit wir dies auf ähnliche Ideen anwenden können DNA Analyse und andere biologische Moleküle“, sagte Jakowlew. „Etwas, das normalerweise eine Sequenzierung erfordert, aber TRIP nutzt, sodass keine Probenvorbereitung erforderlich ist.“
“Für eine lange Zeit. „Die Leute dachten, das sei unmöglich“, sagte Dr. Jakowlew. „Aber Dr. Altangerel hat gezeigt, dass tatsächlich nichts unmöglich ist, wenn man die Dinge richtig macht.“
Referenz: „Label-free Drug Interaction Screening via Raman Microscopy“ von Narangerel Altangerel, Benjamin W. Neuman, Philip R. Hemmer, Vladislav V. Yakovlev, Navid Rajil, Zhenhuan Yi, Alexei V. Sokolov und Marlan O. Scully, 18. Juli 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
DOI: 10.1073/pnas.2218826120
Das Projekt wird vom Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), dem Office of Naval Research, der Robert A. Welch Foundation, TEES und dem unterstützt Nationales Gesundheitsinstitut und das Texas A&M University X Grants Program.
Das unterstützende Team besteht aus Lehrkräften und Studierenden des Institute for Quantum Sciences and Engineering. Als weitere Autoren werden Dr. Benjamin Neuman vom Fachbereich Biologie, Dr. Philip Hemmer vom Fachbereich Elektro- und Informationstechnik, Navid Rajil, Dr. Zhenhuan Yi, Dr. Alexei Sokolov und der Hauptforscher Dr. Marlan Scully vom Institut für genannt Quantenwissenschaften und -technik. Dr. Sofi Bin-Salamon fungierte als Programmverantwortliche für die AFOSR.