חלבונים הם סוסי עבודה שמבצעים את רוב הפונקציות הביולוגיות בתאים שלנו. בעוד הגנים שאנו יורשים מהורינו, מה שנקרא הגנום שלנו, קבועים ולרוב נשארים ללא שינוי לאורך כל חיינו, החלבונים בגופנו משתנים ללא הרף, ככל שאנו מתבגרים, בתנאים בריאותיים שונים ובגירוי, כמו טיפול רפואי. .
זה גורם לניטור חלבונים והשינויים המולקולריים שלהם -; חקר הפרוטאומיקה -; מועיל לגילוי תרופות, אבחון מחלות וניהול בריאות. זה גם יכול יום אחד לפתוח את הדלת לעבר רפואה מדויקת.
Yanbao Yu, מנהל הפרוטאומיקה במחלקה לכימיה וביוכימיה של אוניברסיטת דלאוור, פיתח שיטה פשוטה להכנת דגימות חלבון לניתוח פרוטאומיקה שהיא מהירה, קלה לשימוש, זולה ותואמת באופן אוניברסלי לחלקים אחרים של התהליך. יו ומשתפי הפעולה שלו דיווחו על יעילותה של שיטת הפטנט UD במאמר שפורסם ב-11 ביוני בכתב העת שיטות דוחות תאים.
מילה על פרוטאומיקה
ידיעה על מספר או הרכב החלבונים בתאים שלנו יכולה לעזור לחוקרים להבין מה קורה בגופנו, בזמן מסוים או אפילו לאורך זמן. לדוגמה, נוכחות או היעדר חלבונים מסוימים יכולים להיות אינדיקטור לביולוגיה של אדם.
בפשטות, אם חלבון קיים רק כשאנשים חולים, אז החלבון הזה יכול לשמש כאינדיקטור, או סמן ביולוגי, למחלות".
יאנבאו יו, מנהל פרוטאומיקה, המחלקה לכימיה וביוכימיה של אוניברסיטת דלאוור
מדעני פרוטאומיקה כמו יו משתמשים במכשיר רגיש ביותר הנקרא ספקטרומטר מסה כדי לקבוע את זהותם של חלבונים ספציפיים. עיבוד דגימות של דם, רקמה או חומר ביולוגי אחר כדי להפוך אותם לתואמים וקריא באמצעות ספקטרומטריית מסה הוא חלק קריטי בתהליך.
כאן נכנסת העבודה של יו לתמונה.
שיטה פשוטה יותר עם תוצאות טובות
השיטה של יו מפשטת את הכנת הדגימות בצורה יעילה, יעילה וחסכונית, טריפקטה שהוא מכנה E3. הוא הגן על השיטה המוגשת פטנט באמצעות המשרד לחדשנות כלכלית ושותפויות (OEIP) של UD. ל-CDS Analytical, LLC, ספקית מובילה של חומרים מתכלים ומכשור להכנת דגימות פרוטאומיקה, יש רישיון בלעדי לזכויות מסחריות מלאות לטכנולוגיית UD ממתינה לפטנט.
בשילוב עם ממברנת Empore של CDS Analytical, השיטה מציעה פלטפורמה פשוטה לשימוש, זולה יותר להכנת דגימות לבדיקה, בהשוואה למוצרים אחרים בשוק. ניתן להשתמש בטכנולוגיית הפלטפורמה על פני התקני איסוף דגימות מרובים, כגון מסננים, פיפטות, מחסניות או לוחות.
"זו באמת טכניקה קלה לשימוש," אמר יו. "לא צריך תואר Ph.D כדי להרגיש בטוח מספיק כדי לעשות פרוטאומיקה. הפכנו את השיטה לחזקה ואמינה מאוד, כך שכל מדען מעבדה יכול לעשות הכנת חלבון באיכות גבוהה".
מוצרים המשמשים להכנת סוגים אלה של דגימות ביולוגיות הם בדרך כלל יקרים. אחת המטרות הייתה להפוך את זה למשתלם יותר ממה שזמין כיום בשוק, לקרב את המחיר של ניסויי פרוטאומיקה לעלות של ניסויי גנומיקה, שם יכולה להיות לה השפעה גדולה על עלויות הרפואה המדויקת והרפואה.
"העיבוד הוא המוקד של הטכנולוגיה שלנו", אמר יו. "אם נוכל להפחית את העלות של הריאגנטים והחומרים הכימיים הדרושים כעת, זה יכול להועיל לכל החולים בעתיד אם ניתן לבצע את הבדיקות הללו באמצעות ספקטרומטריית מסה."
יו ועמיתיו סימנו תחילה מגוון פורמטים וסוגי דגימות ואימתו את ביצועי טכנולוגיית הפלטפורמה במגוון דגימות, מאלה שהיו מורכבות ועד דגימות המכילות מספר נמוך של תאים. צוות המחקר חקר תחילה את ביצועי הפלטפורמה באמצעות E. coli, חיידק בעל פרוטום ידוע. מחקרים נוספים אימתו את התועלת של הטכנולוגיה להכנת כל הסוגים השונים של דגימות חומר ביולוגי לניתוח, מחיידקי ביצות ועד פטריות, רוק, רקמות או תאים אנושיים. הנתונים הכוללים הראו שהשיטה שפותחה על ידי UD והפלטפורמה הטכנולוגית שהתקבלה היא שוות ערך או עדיפה על שיטות קיימות רבות.
CDS Analytical התמסחרה והחלה למכור את מוצרי הכנת דגימות פרוטאומיקה החדשים בדצמבר 2023.
"אנו שמחים לקבל את ההזדמנות הזו למסחר את הטכנולוגיה המהפכנית הזו מאוניברסיטת דלאוור עבור עיכול פרוטאומיקה וצעדים קשורים לפתרון צוואר הבקבוק של הכנת דגימות פרוטאומיקה", אמר מנהל חטיבת CDS Analytical Empore Guotao Lu. "יחד עם טכנולוגיית ה-StageTips של קו CDS Analytical Empore והמטפל בנוזל MiniLab 5000, המטרה שלנו היא לבנות פתרון אחד להכנת דגימות פרוטאומיקה מתאי ל-LC-MS כדי לעזור לשפר את היעילות ולחסוך בעלויות עבור ניתוח פרוטאומיקה. לאפשר למדענים לחקור ולהבין מערכות ביולוגיות בצורה יעילה יותר. אנו שמחים לתרום לטכנולוגיה המהפכנית הזו של פרוטאומיקה, במטרה להאיץ פריצות דרך מדעיות בביולוגיה מכניסטית עמוקה של האדם כדי לתת מענה לצרכים רפואיים של מטופלים".
מענה על שאלות ביולוגיות קריטיות
הביולוגית המולקולרית של UD מונה בטיש חוקרת את הביולוגיה של RNA, מולקולות חומצה ריבו-נוקלאית חד-גדילית המיוצרות על ידי ה-DNA בגופנו. באטיש השתמש בשיטה של יו כדי לזהות חלבונים קושרי RNA (RBP) המקיימים אינטראקציה עם סוג של RNA לא מקודד שנמצא בתאים שלנו הנקרא RNA מעגלי. RNA מעגלי יכול להימשך בגוף לאורך תקופות זמן ארוכות, שם הם יכולים לווסת את ביטוי הגנים, לפעול כמדכאי גידולים ולגרום לעמידות או רגישות לדברים כמו כימותרפיה.
RBPs, אמר בטיש, הם המפתח לתהליכים תאיים רבים ובסופו של דבר עוזרים לקבוע היכן מולקולות RNA יתמקמו ויוכלו לבצע את תפקידיהן בתא. היא רצתה להבין טוב יותר כיצד RNA מעגלי נקשר ל-RBPs, וזה קריטי להבנה מלאה של השימוש הפוטנציאלי של RNA מעגלי כסמנים ביולוגיים או כמטרות טיפוליות למחלות.
"זה מייגע למצוא חלבונים קושרים ל-RNA, במיוחד כאשר הם נמצאים בשפע נמוך, אבל הטכנולוגיה של Yanbao עזרה להתגבר על הבעיה הזו ונתנה לנו נתוני יעד טובים באמת", אמר בטיש. "זה גם ניתן לשחזור, וזה הגורם הגדול ביותר כשאנחנו מדברים על כל ממצא ביולוגי חדש. מצאנו עקביות טובה מאוד על פני הדגימות עם הטכנולוגיה החדשה הזו, בהשוואה למה שעשינו בעבר".
יעיל עבור דגימות סביבתיות בכמות מוגבלת
הגיאולוגית של UD קלרה צ'אן וג'סיקה קפר, מדענית שותפה במעבדתה, עובדות עם חיידקים מחמצני ברזל המייצרים חלודה, שהם מינרלים בעלי תפקידים סביבתיים חשובים רבים. חיידקים מחמצני ברזל אלה נמצאים בקרקע, ביצות, מערכות טיפול במים, משקעי חוף, אפילו בקרקעית האוקיינוס. החוקרים רוצים להבין באילו חלבונים משתמשים החיידקים המחמצנים בברזל כדי ליצור את מינרלי החלודה, אך קשה לתרבת ולנתח את האורגניזמים.
מחקר פרוטאומי מוקדם יותר שנעשה על ידי מעבדת צ'אן גילה מעט מאוד חלבונים בסך הכל, והותיר אותם עם נתונים מוגבלים. קפר השתמש בעבר בדטרגנט כדי לשבור אותם כדי לשחרר את החלבונים וחומר אחר שבתוכם, תהליך המכונה תמוגה של תאים. אבל שיטה זו עלולה להוביל לאובדן דגימה אם התאים אינם נשברים כראוי או אם לחומר הניקוי יש השפעות גרועות על החלבון שהם מנסים לשחזר. גם שימוש בצנטריפוגה כדי לאסוף את התאים על ידי סיבובם במהירות גבוהה לא היה אופציה.
זו בעיה נפוצה. מזעור אובדן דגימות של דגימות שקשה להשגה הוא אתגר מרכזי, בין אם חוקרים עובדים עם דגימות ביולוגיות או סביבתיות.
"חלבונים יכולים בקלות לספוח, או להידבק, לפלסטיק. לכן, יותר פיפטציה והעברת נוזלים פירושו יותר אובדן דגימה", אמר יו. "באופן אידיאלי, אתה רוצה לעבד דגימות יקרות כאלה בנפח קטן במכשיר אחד."
במאמר, Yu מדגים נתונים של הוכחת עקרונות באמצעות כמה אלפי תאים כדי להראות שזה אפשרי עם שיפורים לשיטה שפותחה על ידי UD.
כדי לטפל בזה עבור קפר, יו הציע לדלג על שלבי תמוגת התא ובמקום זאת להשתמש בגרסה המשופרת של הפלטפורמה הטכנולוגית של הצוות שלו כדי לבצע את התגובות והעיבוד ישירות בתוך התא. עם השיטה שפותחה על ידי UD, קפר הצליחה לשחזר מספר גבוה של פפטידים וחלבונים מנפח דגימה קטן יותר ממה שאי פעם עבדה איתו קודם לכן. זוהי התפתחות מבטיחה, שכן המשמעות היא שבמחקרים עתידיים היא לא תצטרך לגדל מספר גדול כל כך של תאים כדי להשיג נתונים איכותיים.
"במערך הנתונים הנוכחי שאיתו אני עובד, זיהינו כ-78% מסך החלבונים החזויים מהאורגניזם שלנו. זה יותר חלבונים ממה שראינו אי פעם בנסיונות קודמים כלשהם", אמר קפר. "גם הנתונים היו מאוד איכותיים. כששכפלנו את המחקרים, הנתונים היו מאוד דומים, וזה חשוב כדי שנוכל להיות בטוחים במה שאנחנו רואים".
לסוג זה של מידע יש פוטנציאל ליידע את מה שחוקרים יודעים לגבי האם לאורגניזמים אחרים יש את היכולת לייצר חלודה זו או להוביל לטכנולוגיות הממנפות את החלבונים הללו ליצירת שינויים סביבתיים רצויים או לייצור חומרים חדשים.
צ'אן כינה את הפלטפורמה הטכנולוגית החדשה מבטיחה.
"היכולת לזהות את החלבונים ואת הכמות האמיתית של החלבונים הקיימים עוזרת לנו להסיק מסקנות לגבי מה שהם עושים", אמרה. "אם נוכל לעשות זאת בתרבויות שאינן צומחות היטב, אולי נוכל ללכת לסביבה ולקבל תמונה מלאה יותר של מה שקורה ממה שהפרוטאומיקה הסביבתית הנוכחית יכולה לספר לנו".
השלבים הבאים עבור יו בעבודה זו כוללים יישום הטכנולוגיה ליותר מערכות ביולוגיות ולענות על שאלות שרלוונטיות יותר לבריאות האדם, כגון זיהום ויראלי וסרטן. בעתיד, יו מקווה לראות את המוצרים מאומצים ומשמשים על ידי חוקרים בקהילת הפרוטאומיקה, ואולי גם על ידי קלינאים או טכנאי בריאות לעשות אבחון וקרנה יומיומי בצורה פשוטה ועקבית.
בנוסף ליו, החוקר הראשי של הפרויקט, מחברים שותפים נוספים על המאמר מ-UD כוללים את קתרין מרטין (המחברת הראשונה של העיתון), Hai This Thue Le, אחמד עבדלגאוואד, Canyuan Yang, Jessica Keffer, Zhihao Zhuang, Papa Nii Asare- אוקאי, קלרה צ'אן ומונה בטיש. מחברים שותפים מ-CDS Analytical, LLC, כוללים את Guotao Lu ו- Xiaohui Zhang.
