1.5 Proteinanalytik
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Homochirality is an obvious feature of life on Earth. On the other hand, extraterrestrial samples contain largely racemic compounds. The same is true for any common organic synthesis. Therefore, it has been a perplexing puzzle for decades how these racemates could have formed enantiomerically enriched fractions as a basis for the origin of homochiral life forms. Numerous hypotheses have been put forward as to how preferentially homochiral molecules could have formed and accumulated on Earth. In this article, it is shown that homochirality of the abiotic organic pool at the time of formation of the first self-replicating molecules is not necessary and not even probable. It is proposed to abandon the notion of a molecular ensemble and to focus on the level of individual molecules. Although the formation of the first self-replicating, most likely homochiral molecule is a seemingly improbable event, on a closer look, it is almost inevitable that homochiral molecules have formed simply on a statistical basis. In this case, the non-selective leap to homochirality would be one of the first steps in chemical evolution directly out of a racemic “ocean”. Moreover, most studies focus on the chirality of the primordial monomers with respect to an asymmetric carbon atom. However, any polymer with a minimal size that allows folding to a secondary structure, would spontaneously lead to asymmetric higher structures (conformations). Most of the functions of these polymers would be influenced by this inherently asymmetric folding. To summarize, simple and universal mechanisms may have led to homochiral self-replicating systems in the context of chemical evolution. A homochiral monomer pool is deemed unnecessary and probably never existed on primordial Earth.
Antikörper sind in der medizinischen Welt nicht mehr wegzudenken. Ihr Einsatz-Repertoire als Therapeutika für die Behandlung diverser Krankheiten und Infektionen weitet sich von Jahr zu Jahr mehr aus. Dabei basiert ein Großteil der verwendeten Antikörper zu diesem Zeitpunkt auf monoklonalen Antikörpern auf Basis von Hybridomazellen. Doch hier könnten rekombinante Antikörper aufgrund ihrer Vektor-basierten Expression eine vielversprechende und womöglich sogar revolutionierende Alternative bieten. So ergeben sich neue Optimierungsoptionen für Merkmale wie Affinität, Stabilität und Kompatibilität über Anpassungen auf genetischer oder posttranslationaler Ebene. Allerdings ergibt sich kein Anwendungszweck ohne die vorhergehende detaillierte Charakterisierung der Antikörper. Denn nur mit spezifischem Wissen über die diversen Eigenschaften und Wechselwirkungen kann eine effektive und präzise Verwendung in der Diagnostik und Therapeutik gewährleistet werden und auf diese Weise Leben retten.
Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Masterarbeit mit der Vertiefung der rekombinanten Antikörper-Thematik. Dazu soll ein Anti-Tetanus-Antikörper erstmals rekombinant in verschiedenen Zelllinien hergestellt und anschließend über umfangreiche analytische Verfahren mit einem Fokus auf die Einflussanalyse der unterschiedlichen posttranslationalen Glykosylierungen charakterisiert werden. Zu diesem Zweck wurden als Grundlage einerseits zwei P1316-Dual-Expressions-Vektoren mit variierenden Insert-Positionen der schweren und leichten Kette durch Gibson-Assembly sowie individuellen pRK5-Plasmide für eine separiert Expression der Antikkörperketten mithilfe Restriktionsfragment-Ligation generiert. In einer Gegenüberstellung der der Expressionsausbeuten stellte sich die Überlegenheit der P1316-Plasmid-Konfiguration heraus, in der das Leichtketten-Insert an der ersten Expressionsstelle positioniert ist. Deshalb wurde dieser Vektor als Ausgangspunkt für die anschließende hochskalierten Herstellung des Anti-Tetanus-Antikörpers in Expi293F-GnTI- und ExpiCHO-S-Zellen verwendet. Ein ELISA bestätigte die Bindungsaktivität der rekombinanten Antikörper am Tetanus-Toxoid unabhängig vom Expressionssystem. Nach einer folgenden Optimierung der für die Aufreinigung verwendeten Protein-A-Affinitätschromatographie, wurde über weitere Charakterisierungsmethoden wie Größenausschlusschromatographie und dynamische Lichtstreuung eine vergleichbare Aggregation aufgrund der sauren Elution aufgezeigt. In diesem Kontext wurde die Notwendigkeit einer Zweistufen-Präparation mit Affinitäts- und Größenausschlusschromatografie für den Erhalt monodisperser Proben verdeutlicht. Zudem wurden die verschiedenen intakten Massen mitsamt ihrer spezifischen Glykan-abhängigen Streumaßen in Relation zum monoklonalen NISTmAB-Referenzantikörper bestimmt. Dabei konnte den Erwartungen nach sowohl die geringere Masse als auch die uniformere Glykosylierung der in Expi293 GnTI- exprimierten Immunoglobuline in Relation zum ExpiCHO-S-Antikörper nachgewiesen werden. Anschließend wurde das Stabilitätsverhalten mittels thermischer Entfaltung und dynamischer Lichtstreuung über einen ausgeweiteten Zeitraum sowie verschiedenen Temperaturen dokumentiert. Grundlegend wurde eine höhere thermische Stabilität der zweiten konstanten Schwerketten-Domäne des aus ExpiCHO-S-Zellen stammenden Antikörpers nachgewiesen. Außerdem konnte eine problemlose Lagerungsfähigkeit beider unterschiedlich glykosylierter Antikörper bei Raumtemperatur für mindestens 4 Wochen festgestellt werden. Des Weiteren wurde die Langzeitlagerung im Rahmen der Auswirkung von Gefrier-Auftau-Zyklen mit gleichbleibenden Methoden sowie zusätzlicher Größenausschlusschromatographie erprobt. Hierbei stellte sich der Erhalt der strukturellen Integrität nach bis zu 15 Zyklen heraus. Allerdings geht die Monodispersität bereits nach wenigen Zyklen verloren, wobei die geringfügiger glykosylierten Expi293F-GnTI-Anti-Tetanus-Antikörper eine stärkere Beeinträchtigung durch multiple Gefrier-Auftau-Zyklen aufwiesen.
Protein immobilization for the functionalization of particles is used in various applications, including biosensors, lateral-flow immunoassays (LFIA), bead-based assays, and others. Common methods for the quantification of bound protein are measuring protein in the supernatant before and after coating and calculating the difference. This popular approach has the potential for a significant overestimation of the amount of immobilized protein since layers not directly bound to the surface (soft protein corona) are usually lost during washing and handling. Only the layer directly bound to the surface (hard corona) can be used in subsequent assays. A simplified amino acid analysis method based on acidic hydrolysis and RP-HPLC-FLD of tyrosine and phenylalanine (aromatic amino acid analysis, AAAA) is proposed to directly quantify protein bound to the surface of gold nano- and latex microparticles. The results are compared with indirect methods such as colorimetric protein assays, such as Bradford, bicinchoninic acid (BCA), as well as AAAA of the supernatant. For both particle types, these indirect quantification techniques show a protein overestimation of up to 1700% compared to the direct AAAA measurements. In addition, protein coating on latex particles was performed both passively through adsorption and covalently through EDC/sulfo-NHS chemistry. Our results showed no difference between the immobilization methodologies. This finding suggests that usual protein determination methods are no unambiguous proof of a covalent conjugation on particles or beads.
MALDI-TOF-MS-based identification of monoclonal murine anti-SARS-CoV-2 antibodies within one hour
(2022)
During the SARS-CoV-2 pandemic, many virus-binding monoclonal antibodies have been developed for clinical and diagnostic purposes. This underlines the importance of antibodies as universal bioanalytical reagents. However, little attention is given to the reproducibility crisis that scientific studies are still facing to date. In a recent study, not even half of all research antibodies mentioned in publications could be identified at all. This should spark more efforts in the search for practical solutions for the traceability of antibodies. For this purpose, we used thirty-five monoclonal antibodies against SARS-CoV-2 to demonstrate how sequence-independent antibody identification can be achieved by simple means applied onto the protein. First, we examined the intact and light chain masses of the antibodies relative to the reference material NIST-mAb 8671. Already half of the antibodies could be identified based solely on these two parameters. In addition, we developed two complementary peptide mass fingerprinting methods with MALDI-TOF-MS that can be performed in 45 minutes and had a combined sequence coverage of over 80%. One method is based on the partial acidic hydrolysis of the protein by 5 mM of sulfuric acid at 99 °C. Furthermore, we established a fast way for a tryptic digest without an alkylation step. We were able to show that the distinction of clones is possible simply by a brief visual comparison of the mass spectra. In this work, two clones originating from the same immunization gave the same fingerprints. Later, a hybridoma sequencing confirmed the sequence identity of these sister clones. In order to automate the spectral comparison for larger libraries of antibodies, we developed the online software ABID 2.0 (https://gets.shinyapps.io/ABID/). This open-source software determines the number of matching peptides in the fingerprint spectra. We propose that publications and other documents critically relying on monoclonal antibodies with unknown amino acid sequences should include at least one antibody fingerprint. By fingerprinting an antibody in question, its identity can be confirmed by comparison with a library spectrum at any time and context.
In der Masterarbeit wurde ein Screening gegen den CCMV mit einer linearen Peptidbibliothek entwickelt, wobei zwei lineare Binder identifiziert wurden. Das resynthetisierte Peptid wurde auf seine Bindungseigenschaften mittels ELISA und MST untersucht. Aufgrund eines Aminosäurefehlers in der selbst durchgeführten Resynthese des Peptids sind die Ergebnisse nicht vollständig übertragbar. Um eine umsetzbare Cyclusgröße für die Peptidbibliothek zu finden, wurden Ringgrößen mit sechs bis acht Aminosäuren untersucht. Da keiner der gewählten Ringgrößen bevorzugt war, wurde die Ringgröße aus acht Aminosäuren für die Peptidbibliothek gewählt. Der Ringschluss wurde durch die Bildung einer Disulfidbrücke erreicht. Dadurch war die Alkylierung der vorhandenen Thiolgruppe in den Abbruchsequenzen notwendig.
Neben den etablierten Alkylierungsreagenzien Iodessigsäure, Iodacetamid und Acrylamid wurden zwei Epoxide mituntersucht. Hierbei konnte nur bei Acrylamid und Propylenoxid eine vollständige Alkylierung beobachtet werden. Eine synthetische Peptidbibliothek aus zehn Aminosäuren pro Kopplungsschritt und einer Peptidlänge von acht Aminosäuren wurde erfolgreich nach der Split-and-Mix-Synthese hergestellt. Neben den kanonischen Aminosäuren wurde die synthetische Aminosäure 3-(3-Pyridyl)-alanin in die Peptidbibliothek mit eingebaut. Peptidsequenzen aus der cyclische Peptidbibliothek konnte mittels MALDI-TOF-MS identifiziert werden. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass synthetische Aminosäuren mit proteinogenen Aminosäuren erfolgreich übersetzt werden. Anschließend wurde das entwickelte Screening auf eine cyclische Peptidbibliothek übertragen. Dabei konnte kein Binder identifiziert werden, da zu viele Nebenreaktionen auftraten. Ein alternativer Ringschluss über die Seitenketten von Lysin und Cystein wurden mit ortho-Phthaldialdehyd und 2,4,6-Trichloro-1,3,5-triazin (Cyanurchlorid) untersucht. Beide Bedingungen wiesen keinen erfolgreichen Ringschluss auf. Obwohl der Ringschluss über die Seitenketten von Lysin und Cystein nicht erfolgreich war, sollte ein Austausch von Cystein angestrebt werden, so dass kein freies Cystein in den Abbruchsequenzen vorhanden ist und die Alkylierung überflüssig wäre. Der Ringschluss durch Verwendung anderer Seitenketten bietet einen vielseitigen Ansatz.
Nonporous corundum powder, known as an abrasive material in the industry, was functionalized covalently with protein binders to isolate and enrich specific proteins from complex matrices. The materials based on corundum were characterized by TEM, ESEM, BET, DLS, and zeta potential measurements. The strong Al-O-P bonds between the corundum surface and amino phosphonic acids are used to introduce functional groups for further conjugations. The common cross-linker glutaraldehyde was compared with a hyperbranched polyglycerol (PG) of around 10 kDa. The latter is oxidized with periodate to generate aldehyde groups that can covalently react with the amines of the surface and the amino groups from the protein via a reductive amination process. The amount of bound protein was quantified via aromatic amino acid analysis (AAAA). This work shows that oxidized polyglycerol can be used as an alternative to glutaraldehyde. With polyglycerol, more of the model protein bovine serum albumin (BSA) could be attached to the surface under the same conditions, and lower nonspecific binding (NSB) was observed. As a proof of concept, IgG was extracted with protein A from crude human plasma. The purity of the product was examined by SDS-PAGE. A binding capacity of 1.8 mg IgG per g of corundum powder was achieved. The advantages of corundum are the very low price, extremely high physical and chemical stability, pressure resistance, favorable binding kinetics, and flexible application.
Quantitative 1H Nuclear Magnetic Resonance (qNMR) of Aromatic Amino Acids for Protein Quantification
(2022)
qNMR is a valuable technique for metrological studies due to the uniformity of its signal response for all chemical species of an isotope of interest, which enables compound-independent calibration. However, protein quantification remained challenging as large molecules produce wide, low-intensity signals that reduce the already low sensitivity. Combining qNMR with the hydrolysis of protein samples into amino acids circumvents many of these issues and facilitates the use of NMR spectroscopy for absolute protein and peptide quantification.In this work, different conditions have been tested for quantifying aromatic amino acids and proteins. First, we examined the pH-based signal shifts in the aromatic region. The preferable pH depends on the selection of the amino acids for quantification and which internal standard substance should be used to avoid peak overlap. Several aromatic compounds, such as terephthalic acid, sulfoisophthalic acid, and benzene tricarboxylic acid, have been applied as internal standards. The quantification of amino acids from an amino acid standard, as well as from a certified reference material (bovine serum albumin), was performed. Using the first two suggested internal standards, recovery was ~ 97 % for histidine, phenylalanine, and tyrosine at a concentration of approximately 1 mM in solution. Acidic hydrolysis of a certified reference material (CRM) of bovine serum albumin (BSA) and subsequent quantification of Phe and Tyr yielded recoveries of 98 ± 2 and 88 ± 4 %, respectively, at a protein concentration of 16 g/L or 250 µM.
Development of an affinity-based method for the site-selective synthesis of antibody-drug-conjugates
(2021)
For the site-selective synthesis of ADCs, a variety of obstacles must be overcome. Those include designing bifunctional affinity peptides with reasonably low 𝐾𝑑-values that couple to the mAb in a site-selective manner. These peptides should also include a functional group that links the payload to the mAb under mild conditions without adversely affecting it. The bioconjugation between peptide and antibody and the linker between peptide and payload must be stable and durable to provide safety when used for medical purposes. The usage of metals and organic solvents should be minimized. Within the project, new types of functionalized affinity peptides were designed, and their affinity towards the Fc-fragment was determined.
Vergleichende Darstellung SARS-CoV-2-spezifischer Nanobodys aus unterschiedlichen Wirtsorganismen
(2021)
Aufgrund der anhaltenden COVID-19-Pandemie werden neutralisierende Therapeutika benötigt. Eine Möglichkeit zur Behandlung stellt die Verwendung monoklonaler Anti-SARS-CoV-2-Immun-globuline dar. Ihre Produktion in Säugetierzellen ist jedoch schwer skalierbar, um den weltweiten Bedarf zu decken. VHH-Antikörper, auch Nanobodys genannt, bieten hierfür eine Alternative, da sie eine hohe Temperaturstabilität aufweisen und eine kostengünstige Produktion in prokaryotischen Wirtsorganismen ermöglichen.