Doorbraak in detectie van eiwitten via nanoporie

Nanoporiën zijn al in gebruik om DNA af te lezen. De technologie is goedkoop en is buiten het laboratorium te gebruiken, zelfs in de jungle of de ruimte. En nu is een toepassing van deze technologie om eiwitten en peptiden te identificeren een stap dichterbij. RUG-onderzoekers hebben met een gepatenteerde nanoporie de ‘vingerafdruk’ van eiwitten en peptiden bepaald. Ze kunnen zelfs peptiden onderscheiden die maar in één aminozuur verschillen. Hun onderzoek is op 16 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

De Groningse onderzoekers (in samenwerking met een collega van de universiteit van Leuven) gebruikten een speciale trechtervormige nanoporie om peptiden en eiwitten te identificeren. Ze hebben hiermee twee problemen opgelost die tot nu toe het gebruik van nanoporiën voor het onderzoeken van eiwitten in de weg zaten: de eiwitten in de porie krijgen, en onderscheid te maken tussen eiwitten op basis van elektrische metingen in de porie. ‘Nanoporiën zijn meestal geladen, net als veel van de aminozuren in het eiwit. Daarom is het een uitdaging zo’n eiwit of peptide in de porie te krijgen en er doorheen te laten gaan’, legt Giovanni Maglia uit. Hij is adjunct hoogleraar Chemische Biologie aan de RUG.

Vingerafdruk

Maglia gebruikte een elektro-osmotische vloeistofstroom om de eiwitten in de porie te trekken. Wanneer er een elektrisch veld over de nanoporie staat, gaan er ionen en water doorheen stromen. Als het lukt de richting van die ionenstroom te controleren, is het mogelijk een vloeistofstroom te produceren die sterk genoeg is om eiwitten te transporteren. ‘Dat bereikten wij door de ladingen in de porie precies af te stellen. Door de zuurgraad te veranderen bleek het mogelijk de balans tussen de elektro-osmotische stroming en de kracht van het elektrische veld over de porie te regelen’, legt Maglia uit.

Hij testte de techniek met vijf verschillende kleine eiwitten. ‘Dat waren eiwitten met verschillende vormen en groottes, die als indicator dienen voor ziekten’, vertelt hij. De eiwitten kwamen terecht in de porie, waar ze de stroom elk op een specifieke manier beïnvloedden. Dat resulteerde in een ‘vingerafdruk’ voor elk eiwit. Op die manier kon Maglia onderscheid maken tussen twee versies van het peptide endotheline, dat uit 21 aminozuren bestaat, waarbij de twee versies in slechts één aminozuur verschillen (tryptofaan of methionine).

Sequencen

Het is niet eenvoudig een goede meting te krijgen in een nanoporie. Maglia gebruikte een nieuw soort porie die hij zelf heeft gekarakteriseerd en gepatenteerd. ‘Poriën zijn doorgaans cilinders, maar die vorm brengt bepaalde fundamentele beperkingen met zich mee. Onze porie is een trechter met een alfa-helix structuur. Door de grootte van het nauwe uiteinde, waar we de metingen doen, is er daar maar één aminozuur aanwezig. Dan is de meting beter af te stemmen.’

Op dit moment gaan de eiwitketens nog te snel door de porie heen om individuele aminozuren te kunnen meten. Dat is nodig om individuele eiwit-sequenties te bepalen. Als dat zou kunnen, is het een belangrijk stuk gereedschap voor onderzoek, legt Maglia uit: ‘Eiwitten kunnen op unieke manieren chemisch veranderd worden en we weten daarom maar heel weinig van de precieze samenstelling van de eiwitten in ons lichaam.’ Die kennis krijg je alleen door individuele eiwitten te onderzoeken.

Ruimtestation

Maglia: ‘De diagnose van biologische markermoleculen zou een grote stap vooruit zetten als we afzonderlijke eiwitten kunnen karakteriseren.’ Een voordeel is dat de nanoporie technologie al is ontwikkeld voor het aflezen van de DNA volgorde. De technologie is al op de markt en is snel, goedkoop en robuust. Nanoporie onderzoek van DNA vindt plaats in het veld en is zelfs in gebruik in het internationale ruimtestation ISS. Deze technologie is met beperkte aanpassingen ook te gebruiken voor het identificeren van eiwitten. ‘In theorie kunnen we morgen al zo’n apparaatje bouwen.’

Referentie: Gang Huang, Kherim Willems, Misha Soskine, Carsten Wloka & Giovanni Maglia: Electro-Osmotic Capture and Ionic Discrimination of Peptide and Protein Biomarkers with FraC Nanopores. Nature Communications, 16 October 2016