Nowa technologia przyspieszy badania proteomiczne
Kasia Kuleszewicz | 2007-05-07
W ostatnim czasie nauki biologiczne zdominowane były przez genomikę – naukę zajmującą się badaniem genów i ich funkcji. Jednak obecnie era genomiki ustępuje miejsca proteomice, czyli dziedzinie nauki zajmującej się badaniem białek, kodowanych przez geny. Jak wpłynie to na stan naszej wiedzy o funkcjonowaniu ludzkiego organizmu? Jaka jest przyszłość proteomiki? Co po niej?
Proteomika jest nową, dynamicznie rozwijającą się gałęzią nauki. Zajmuje się ona badaniem produktów sekwencji nukleotydowych DNA – genów oraz zależności występujących między nimi. Termin proteomika odnosi się zazwyczaj do badań prowadzonych na dużą skalę, do badania całych proteomów. Proteom to zbiór wszystkich białek kodowanych przez cały genom. Termin powstał na zasadzie analogii do słowa genom i pochodzi od angielskiego PROTEin complement of the genOMe. Istotą proteomiki jest poszukiwanie różnic w profilach białkowych pomiędzy osobnikami normalnymi i zmutowanymi, pomiędzy osobami chorymi i zdrowymi itp. Proteom, w odróżnieniu od genomu jest obiektem bardzo dynamicznym, zmieniającym się w zależności od cyklu komórkowego, na skutek oddziaływania z innymi komórkami w organizmie (wchodzącymi w skład różnych tkanek i organów) czy z powodu interakcji z czynnikami środowiskowymi (temperatura, czynniki stresowe itp.) Obecnie proteomika używana jest w dziedzinach takich jak diagnostyka, terapeutyka czy badania nad komórkami macierzystymi.
Wszystkie żywe komórki są zbudowane z grup białek, które współdziałają z innymi grupami, co tworzy razem doskonale dopracowany system współzależnych układów. Układy takie kontrolują niemal każdy proces w komórce i zapewniają połączenia, które są podstawą integracji tkanek i organów. Projekt Poznania Genomu Ludzkiego (HUGO) ujawnił, że ludzki genom zawiera około 22 tysiące genów, które kodują około 400 tysięcy białek. Dzieje się tak, ponieważ białka wytwarzane są w procesie alternatywnego splicingu, a także modyfikowane później podczas obróbki posttranslacyjnej (fosforylacja, glikozylacja). To udowadnia jak bardzo badania proteomiczne są potrzebne, aby w pełni wykorzystać poznaną już sekwencję ludzkiego genomu. Badania te mają zatem na celu określić biochemiczną funkcję kodowanych białek.
Proces identyfikacji białek jest wieloetapowy i wykorzystuje techniki takie jak elektroforeza dwuwymiarowa (2-dimensional electrophoresis), spektrometria masowa z wykorzystaniem źródła jonów MALDI (matrix-assisted laser desorption ionization; jonizacja laserowa wspomagana matrycą) czy SELDI (surface enhanced laser desorption ionization; desorpcja/jonizacja na modyfikowanych podłożach).
Badania proteomiczne pociągają za sobą potrzebę ciągłego opracowywania nowych technologii ich wspomagających. Jedną z takich technologii jest spektrometria masowa połączona z technologią krzemionkowych chipów opartą na mikrofluidach . Technika ta wykorzystuje używane dotychczas chipy i nazywana jest multinozzle nanoelectrospray emiter array (nanoelektrorozpylacz wielokońcówkowy). Opracowana została przez naukowców z Laboratorium Berkeley, a ich projekt i wyniki zostały opublikowane w The Journal of Analytical Chemistry.
Jednym w pierwszych etapów w badaniach proteomicznych jest określenie tożsamości i modyfikacji, jakim poddane zostało dane białko występujące w danej tkance lub organie. Analizę taką wykonuje się za pomocą spektrometrii masowej. Spektometria masowa oparta jest na jonizacji cząsteczek lub atomów, a następnie na określaniu liczby i stosunku masy do ładunku powstających jonów. Analiza spektrum otrzymanych widm masowych są następnie używane do identyfikacji białek i określania ich ilości w próbce. Najczęściej dziś używana technika do jonizacji peptydów w spektrometrii masowej polega na umieszczaniu białek w wodnym roztworze i następnie przesyłaniu ich przez naładowane elektrycznie kapilary. Jest to technika zwana jonizacją przy użyciu elektrozpylacza (electrospray ionization) i jest ona jedną z technik, które mógłby być użyte do integracji procesów wykrywania i analizy z użyciem spektrometrii masowej i technologii chipów. System taki miałby wysoką wydajność, a biologiczne płyny mogłyby być wprowadzane do mikroprocesorowego chipu. Dotychczas analiza białek w formie roztworu i spektrometria masowa były oddzielnymi procesami. Integracja tych procesów otwiera nowe możliwości na badania proteomiczne na dużą skalę.
Każdy rozpylacz opracowany przez naukowców z Berkeley, składa się z równoległych rzędów krzemionkowych końcówek, które wystają z zagłębienia krzemowej płytki z przewodem o rozmiarach 100 na 10 mikronów. Liczne końcówki (o gęstości 100 końcówek na milimetr) są używane ze względu na redukcję ciśnienia i problemów z zatykaniem, które powstają wraz ze zmniejszaniem kanałów do przekazywania roztworu białek. Zarówno rozpylacz jak i końcówki rozpylające zostały wyprodukowane z krzemu.
Co wyróżnia opracowany system od innych, zaprojektowanych już wcześniej układów tego typu to niższe ciśnienie, które zapewnia wysoką wrażliwość i stabilność w wykrywaniu białek i ich składowych peptydów. Rozpylacz może być używany do systematycznych badań procesu jonizacji ze względu na możliwość dostosowania rozmiaru i gęstości końcówek na jego powierzchni. W najbliższej przyszłości naukowcy planują stworzyć chip, który zintegrowałby wytwarzanie próbki białek z jej wykrywaniem i analizą. Możliwość przeprowadzenia tych wszystkich procesów na pojedynczym, małym chipie ma ogromny komercyjny potencjał.
Źródła:
- Kim, W. et al. (2007) Microfabricated Monolithic Multinozzle Emitters for Nanoelectrospray Mass Spektrometry. Journal of American Chemical Society.
- Wikipedia.org - Proteomics
Komentarze
R | 2007-05-07 00:00:00
Obśmiałem się jak norka, czytając ten tekst. Wtryskiwacz?? Skroplone białka?? Litości... Toż ten serwis czytają też uczniowie. I będą potem powtarzać w szkole albo nie daj Boże na studiach takie herezje. No i poza tymi kalkami językowymi, to szczerze mówiąc nie widzę, jak miałaby być ta spektrometria z chipami połączona. Jest w źródłowym artykule coś więcej?
olgusz | 2007-05-14 00:00:00
Nie czytam całego, bo chwilowo nie mam czasu, rzucił mi się tylko w oczy jeden błąd, otóż MALDI i SELDI przypuszczam też to nie są "inne formy spektrometrii" tylko metody jonizacji wykorzystywane w spektrometrii masowej.