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Organisationseinheit der BAM
Multidimensional high throughput methods for the analysis of particle-based peptide libraries
(2018)
Screening of one-bead-one-peptide libraries is a useful procedure for the identification of protein ligands. The demand for binders with high affinity and high specificity towards various target proteins has surged in the biomedical field in the recent years. The 1 traditional peptide screening procedure involves tedious steps as selection, sequencing, and characterization. Herein, we developed a high-throughput – “all in one chip” system to avoid time-consuming separation steps.
Screening of one-bead-one-peptide libraries is a useful procedure for the identification of protein ligands. The demand for binders with high affinity and high specificity towards various target proteins has surged in the biomedical field in the recent years. The traditional peptide screening procedure involves tedious steps as selection, sequencing, and characterization. Herein, we developed a high-throughput – “all in one chip” system to avoid time-consuming separation steps.
Spec2Seq
(2018)
Screening of one-bead-one-peptide libraries is a powerful analytical tool for the identification of protein ligands. However, the traditional peptide screening procedure involves tedious steps such as manual selection, sequencing, and characterization. We present a high-throughput “all in one chip” system, allowing the screening of a high number of resin beads in short time. Here, beads of a combinatorial one-bead one compound peptide library are immobilized on an in-house produced chip, on which every bead has a well-defined position. The chip is then incubated with a fluorophore-labeled protein, identifying suitable peptides by a high-resolution fluorescence scan. The screening is followed by MALDI-MS experiments directly on the respective glass chip. To circumvent the need for peptide fragmentation normally used for peptide de novo sequencing, which can result in incomplete sequence information, an approach based on ladder sequencing has been used. This allows the peptide sequence identification by fragmentation-free MS with almost 100 % accuracy. For this purpose, a software tool was developed automatically translating MALDI-MS spectra into the corresponding peptide sequences.
A method for the examination of the epitope of a monoclonal antibody against a peptide related to hepcidin-25, known as a biomarker in the ion metabolism, was developed. Characterizing the exact binding site helps to understand the properties of the antibody. A peptide consists of different amino acids, each contributing differently to the binding strength. To examine the influence of the amino acids, each amino acid was subsequently exchanged by glycine. If the respective amino acid is critical for binding to the antibody, a significant drop in the binding affinity should be observed.
The epitope screening of monoclonal antibodies is a complex and elaborate procedure. For this approach, variants of the peptides were synthesized by conventional Fmoc-based peptide synthesis. The solid support was chosen to be suitable for the synthesis and additional screening against the antibody. To determine the binding affinity, the bead-bound peptides were incubated with a fluorophore-labeled antibody. After the incubation, the beads were placed on a slide and the fluorescence was detected by a fluorescence scanner. A high fluorescence indicates a high binding affinity and vice versa.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Hochdurchsatzanalyse von partikelgebundenen Split-and-Mix-Peptidbibliotheken. Dabei wurde ein System entwickelt, das Partikelbibliotheken in kurzer Zeit auf ihre Bindung zu einem Zielmolekül hin untersucht und im nächsten Schritt eine direkte „Ein-Partikel“-Sequenzierung der Peptide von der festen Phase ermöglicht. Die Analyse der Bindung eines Zielmoleküls an ein selektiv bindendes Peptid wurde dabei in einem Modellsystem simuliert. Dazu wurde FITC-markiertes Neutravidin 3 mit festphasengebundenen biotinylierten und nicht-biotinylierten Peptiden inkubiert. Die Bindung von Neutravidin-FITC an die biotinylierten Peptide konnte erfolgreich mittels eines Fluoreszenzmikroskops nachgewiesen werden, wobei diese Methode für eine Hochdurchsatzanalyse ungeeignet war. So wurde die Analyse des Fluoreszenzassays auf einen Microarrayscanner übertragen (siehe Abbildung 33). Dies gelang erfolgreich wobei die hohe Eigenfluoreszenz des Tentagel-Harzes zu falsch positiven Ergebnissen führte. Mit einem Wechsel zum längerwelligen Fluoreszenzfarbstoff ATTO-633 konnten falsch positive Ergebnisse vermieden werden. Somit wurde die zeitintensive Fluoreszenzanalyse von einem Fluoreszenzmikroskop erfolgreich auf einen Microarrayscanner übertragen, welcher in kurzer Zeit (ca. 5 min pro Objektträger) eine Vielzahl an peptidbeladenen Partikeln gleichzeitig analysieren kann.
Gegenwärtig ist das Interesse und der Bedarf von Proteinbindern insbesondere in der Biotechnik und Pharmaforschung sehr groß. Kombinatorische, Partikel-basierte (One-Bead-One-Compound) Peptidbibliotheken sind eine Technik, um selektiv bindende Proteine zu identifizieren. Allerdings beinhaltet das Screening dieser Peptidbibliotheken aufwendige Schritte, wie die Separation, Sequenzierung und Charakterisierung von identifizierten Bindern. In dieser Arbeit wurde ein Chip-System entwickelt, auf dem alle Schritte eines Screenings durchgeführt werden können. Dafür wurde ein Glasobjektträger mit einem magnetisch leitenden, doppelseitigen Klebeband versehen. Die Partikel der Bibliothek wurden durch ein Sieb aufgetragen. Dies führte zu einer geordneten Immobilisierung der Partikel auf dem Chip. Über 30.000 Partikel konnten so auf einem Chip immobilisiert werden. Für die Identifizierung von selektiven Protein-bindenden Peptiden wird die immobilisierte Peptidbibliothek mit einem Fluorophor-markierten Protein inkubiert, bindende Partikel mittels Fluoreszenzscan identifiziert und die Peptidsequenz direkt auf dem Chip mittels Matrix-Assisted-Laser-Desorption/Ionization-(MALDI)-Flugzeit-(TOF)-Massenspektroskopie (MS) bestimmt. Die Durchführung einer Abbruchsequenz-Methode erlaubt die eindeutige Bestimmung der Peptidsequenzen mit einer nahezu 100 % Genauigkeit. Die entwickelte Technologie wurde in einem FLAG-Peptid-Modell validiert. Bei dem Screening wurden neue anti-FLAG-Antikörper-bindende Peptide identifiziert. Anschließend wurden in einem Screening von ca. 30.000 Partikeln IgG-bindende Peptide mit mittleren mikromolaren Dissoziationskonstanten identifiziert. Für die Identifizierung stärkerer Binder wurde eine magnetische Anreicherung entwickelt, die dem Chip-Screening vorgeschaltet werden kann. Hiermit wurden aus ca. 1 Million gescreenter Partikel, Peptide mit Dissoziationskonstanten im niedrigen mikromolaren Bereich identifiziert.
Thousands of antibodies for diagnostic and other analytical purposes are on the market. However, it is often difficult to identify duplicates, reagent changes, and to assign the correct original publications to an antibody. This slows down scientific progress and might even be a cause of irreproducible research and a waste of resources. Recently, activities were started to suggest the sole use of recombinant antibodies in combination with the open communication of their sequence. In this case, such uncertainties should be eliminated. Unfortunately, this approach seems to be rather a long-term vision since the development and manufacturing of recombinant antibodies remain quite expensive in the foreseeable future. Also, nearly all commercial antibody suppliers may be reluctant to publish the sequence of their antibodies, since they fear counterfeiting. De-novo sequencing of antibodies is also not feasible today for a reagent user without access to the hybridoma clone. Nevertheless, it seems to be crucial for any scientist to have the opportunity to identify an antibody undoubtedly to guarantee the traceability of any research activity using antibodies from a third party as a tool. For this purpose, we developed a method for the identification of antibodies based on a MALDI-TOF-MS fingerprint. To circumvent lengthy denaturation, reduction, alkylation, and enzymatic digestion steps, the fragmentation was performed with a simple formic acid hydrolysis step. Eighty-nine unknown monoclonal antibodies were used for this study to examine the feasibility of this approach. Although the molecular assignment of peaks was rarely possible, antibodies could be easily recognized in a blinded test, simply from their mass-spectral fingerprint. A general protocol is given, which could be used without any optimization to generate fingerprints for a database. We want to propose that in most scientific projects relying critically on antibody reagents, such a fingerprint should be established to prove and document the identity of the used antibodies and to assign a specific reagent to a datasheet of a commercial supplier, a public database record or an antibody ID.