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Bessere Bilder von Proteinen
MIT-Forscher haben die Empfindlichkeit der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) deutlich erhöht, einer Analysetechnik, die detaillierte Bilder der Strukturen komplexer Moleküle wie Proteine geben kann. Verbesserte NMR könnte Pharmaunternehmen helfen, Bibliotheken potenzieller Therapien schnell zu durchsuchen. Es könnte eines Tages auch verwendet werden, um Patienten auf das Vorhandensein abnormaler Proteine zu testen, wie sie sich im Gehirn als Folge von Alzheimer und Huntington ansammeln.
Proteinsonde: Diese NMR-Sonde, die kleiner als eine Kreditkarte ist, erhöht die Empfindlichkeit des Analyseverfahrens erheblich. Die Sonde verwendet ein billiges, einfaches Stück Kupfer, ähnlich einer Handyantenne.
Bisher war der Einsatz von NMR begrenzt, da die Technik kostspielig und zeitaufwändig ist und Forscher relativ große Proben des Moleküls, das sie untersuchen möchten, sammeln müssen. Die MIT-Methode, die auf einer neuartigen Magnetsonde beruht, könnte die Zeit für diese Tests um den Faktor 100 verkürzen, schätzt Arnold Schwartz, ehemaliger Direktor für Forschung und Entwicklung bei Variante , einem Hersteller von NMR-Geräten mit Sitz in Palo Alto, CA. Dies sei ein sehr neuer Ansatz im Vergleich zu den Verfahren der letzten 30 Jahre, sagt Schwartz.
Die NMR-Spektroskopie gibt Forschern Aufschluss über die chemische Zusammensetzung und dreidimensionale Struktur von Molekülen. NMR ermöglicht es Ihnen, Messungen zwischen Atomen durchzuführen und die Struktur eines Moleküls herauszufinden, sagt Yael Maguire , der die neue NMR-Sonde für seine Abschlussarbeit am Media Lab des MIT entwickelt und diese Woche auf dem European Symposium der Proteingesellschaft in Zürich, Schweiz.
Ein Werkzeug zur Bestimmung der chemischen Struktur von Proteinen hat potenziell große klinische Relevanz, sagt Shuguang Zhang , stellvertretender Direktor des MIT Center for Biomedical Engineering. Die Aktivität von Proteinmedikamenten hängt beispielsweise von der Form der Proteine ab. Und es wird angenommen, dass die Anhäufung von missgestalteten Proteinen im Gehirn die Wurzel von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer ist. Röntgenkristallographie kann ähnliche Strukturinformationen liefern wie die NMR-Spektrometrie, aber es kann Jahre dauern, bis ein Protein kristallisiert, sagt Maguire, und nicht alle Proteine werden kristallisieren.
Da die Hochfrequenzsignale, auf denen die NMR-Spektroskopie beruht, sehr schwach sind, werden große Proben benötigt, um Experimente durchzuführen. Die Instrumente erfordern auch große, starke Magnete, die zu ihrer Größe und ihren Kosten beitragen. Daher hatten Biochemiker nur begrenzten Zugang zu den Maschinen. Maguire und seine Mitarbeiter, darunter Zhang und Neil Gershenfeld des Center for Bits and Atoms des MIT, wollen NMR breiter verfügbar machen. Wir träumen davon, es zu einem Tischgerät in jedem Labor und Krankenhaus zu machen, sagt Maguire.
Herkömmliche NMR verwendet Spulen, um die Hochfrequenzsignale zu detektieren, die von einigen Atomen, einschließlich Wasserstoff und Kohlenstoff, erzeugt werden, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Aber die komplexe Form der Spulen macht es schwierig, sie weiter zu miniaturisieren. Im Gegensatz dazu stellten die MIT-Forscher eine hochempfindliche NMR-Sonde aus einem flachen Kupferstreifen her, ähnlich den Antennen in Laptops und Handys. Es ist einfach herzustellen, sagt Maguire. Dieselben Firmen, die Antennen herstellen, können diese herstellen. Durch einen schnellen Schnitt mit einem Laser entsteht ein kleines Loch, aus dem ein Magnetfeld fließen kann.
Bisher nutzten die MIT-Forscher die Sonde, um bekannte Strukturen zu bestätigen. In Tests an einem Protein namens Ribonuklease konnten sie 3.000 Mal weniger der Verbindung verwenden, als normalerweise für die Durchführung von NMR-Spektroskopie erforderlich ist; in Tests mit Saccharose verbrauchten sie 10.000-mal weniger.
Zhang erwartet, dass das empfindlichere NMR-System zuerst von Strukturbiologen und dann von der medizinischen Fachwelt übernommen wird. Da sich immer mehr Menschen in anderen Bereichen, einschließlich der Medizin und Kliniken, der Leistungsfähigkeit und Sensibilität von NMR für die Diagnose von proteinkonformen Erkrankungen bewusst werden, werden sie es unweigerlich nutzen, sagt er.
Maguire hofft nun, kleinere Magnete in die Spektrometer zu integrieren, damit sie wirklich auf Tischplatten passen. Er hofft auch, mehrere NMR-Sonden mit Mikrofluidik-Chips für zukünftige klinische Tests zu integrieren, die nach mehreren Biomarkern (wie falsch gefalteten Proteinen) im Blut oder der Rückenmarksflüssigkeit eines Patienten suchen.