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.
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.
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.
Es wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Methode der Biokonjugation entwickelt, die es ermöglicht humane Antikörper ortspezifisch mit IgG-bindenden Peptiden zu konjugieren. Als Basis fungierte ein Peptid, welches für den Einsatz gezielt modifiziert wurde. So sollte am C-Terminus ein Biotin eingefügt werden, dass für die spätere Detektion der Biokonjugation genutzt werden kann, während am N-Terminus ein Cross-Linker für die kovalente Bindung zum Antikörper eingefügt wurde. Das Biotin wurde mittels Biotin-Lysin eingebaut. Dies hat den Vorteil, dass die modifizierte Aminosäure direkt in der SPPS genutzt werden kann. Auch der Cross-Linker soll schon während der SPPS in das Peptid integriert werden. Als Cross Linker wurden die zwei heterobifunktionellen Succinimidyl(3-bromoacetamid)propionate und Succinimidyl(4-iodacetyl)aminobenzoat untersucht. Die Aktivierung des Peptides mit dem SBAP-Cross-Linker erfolgte am besten im pH-Bereich zwischen 7,0 und 9,0. Die Modifizierung des Peptides mit dem Iodid-Cross-Linker SIAB unter den gleichen Bedingungen zeigte allerdings keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Da das erste Peptid allerdings in den Folgeexperimenten sehr gute Ergebnisse zeigte, musste kein weiterer Linker getestet werden. Zusätzlich zu der Cross-Linker-Wahl sollte der Abstand zwischen dem Cross-Linker und dem Grundgerüst des Peptides auf den Einfluss der Bindung untersucht werden. Dazu wurden drei Kontrollpeptide synthetisiert, die entweder um zwei Aminosäuren zwischen dem ursprünglichen N-Terminus des Peptides und dem SBAP-Linker verlängert wurden, keinen SBAP-Linker beinhalten oder die Verlängerung ohne SBAP-Linker besaßen. Die erfolgreiche Synthese aller vier Peptide wurde mittels MALDI-TOF-MS bestätigt.
Die neue Crosslinking-Methode ist hilfreich, um Immunglobuline des Isotyps G ortspezifisch an ihrer Bindungsstelle mit Protein A oder G zu konjugieren. Die Kopplungen von Protein A und G konnten erfolgreich an Maus- und Human-IgG durchgeführt, sowie die Bedingungen untersucht und optimiert werden. Die Aktivierung von Protein G mit Glutaraldehyd erfolgt am besten bei pH 8 und die anschließende Kopplung mit Maus-IgG1 bei einem pH-Wert von 6. Jedoch wurden mit SIAB und Sulfo-SIAB als Crosslinker im Vergleich zu Glutaraldehyd noch höhere Signale erhalten. Für die Kopplung von SIAB sind 40% DMSO im Reaktionspuffer günstig, währenddessen Sulfo-SIAB gut wasserlöslich ist daher keine Lösungsvermittler benötigt. Es ergab sich ein optimaler pH-Wert von 7,4 um Protein A mit SIAB zu aktivieren und den gleichen pH-Wert um die Kopplung mit Maus-IgG1 durchzuführen. Für die Kopplung von Protein G mit Maus-IgG1 hingegen zeigten die Experimente, dass ein leicht saurer pH-Wert bei pH 6 für den IgG-Kopplungsschritt am günstigsten ist. Während die Inkubationszeit von Maus-IgG1 mit Protein G bei 16 h liegt, muss mit Protein A bis zu 40 h inkubiert werden, um das Kopplungsmaximum zu erreichen. Des Weiteren wurde das Crosslinking von Human-IgG (Herceptin) mit SIAB untersucht. Dabei zeigte sich, wie in der Abbildung 47 zu sehen ist, dass Protein A und G vergleichbar gut an Human-IgG zu koppeln sind. Für das Crosslinking von Protein G mit Maus-IgG1 ist dagegen ein deutlich besserer Umsatz im Vergleich zu Protein A zu erkennen (Abbildung 48). Heterobifunktionale Linker können mit der reaktiveren Gruppe die erste Bindung eingehen, um erst nach Zugabe eines weiteren Reagenzes die zweite Bindung auszubilden und zudem intramolekulare Reaktionen möglichst zu vermeiden.
Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer magnetischen Anreicherungsmethode für eine Bead-basierte Substanzbibliothek zur Identifizierung von Proteinbindern. Im Ramen des Forschungsbelegs wurde bereits eine Anreicherungsmethode für ein Modellsystem einer Peptidbibliothek entwickelt. Das Modellsystem bestand dabei aus zwei verschiedenen Peptiden. Als Positivkontrolle wurde das FLAG-Peptid gewählt, welches selektiv gegen den Anti-FLAG-Antikörper bindet, und ein weiteres Peptid wurde als Negativkontrolle gewählt. Anhand dieses Modellsystems konnte die zuvor entwickelte Anreicherungsmethode von 20.000 auf 1.000.000 Beads vergrößert werden. Hierbei wurde ein Anreicherungsfaktor von 818 und eine gute Wiederfindungsrate von 82% erreicht.
Im Vergleich zu anderen Proteinen ist die Identifizierung von Antikörpern anhand ihrer Sequenz zum Beispiel mittels "peptide mass fingerprinting" schwierig. Da die Sequenzinformation eines Antikörpers aufgrund der hypersomatischen Mutation während der Affinitätsreifung nicht im Genom eines Organismus gespeichert ist, kann die Aminosäuresequenz nicht auf einfachem Weg der DNA-Sequenzierung gewonnen werden. Das ist nur in seltenen Fällen möglich, wenn dem Endanwender der Zellklon der Antikörper-produzierenden Zelle zugänglich ist. Eine Sequenzierung auf Protein-Ebene ist sehr aufwändig und teuer und wird daher fast nie für die Charakterisierung von analytischen Antikörpern verwendet. Der Mangel an Validierung dieser analytischen Antikörper, die bei Experimenten verwendeten werden, löst aber eine Reihe Probleme aus, die die Wiederholbarkeit dieser Experimente schwierig und in einigen Fällen unmöglich macht. Das sorgt jährlich für verschwendete Forschungsgelder in Milliardenhöhe und hindert den wissenschaftlichen Fortschritt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer einfachen und schnellen Methode, die es trotzdem ermöglicht, die Identifikation von Antikörpern sicherzustellen. Dazu wurde eine Methode basierend auf dem "peptide mass fingerprinting" gewählt. Das Problem der unbekannten Aminosäuresequenz der Antikörper wurde gelöst, indem lediglich die Peptidmuster der entstehenden Fingerprint-Spektren zur Identifikation herangezogen wurden. MALDI wurde dabei als Ionisationsmethode für die Massenspektrometrie gewählt, da die resultierenden Spektren im Gegensatz zu ESI-MS einfach auszuwerten sind. Auch kann auf eine vorige Trennung der Peptide mittels LC verzichtet werden, was zusätzlich Analysenzeit spart. Für die Proteinspaltung wurde eine simple saure Hydrolyse mittels Ameisensäure gewählt. Im Vergleich zum herkömmlichen Trypsin-Verdau konnten auf zeitraubende Arbeitsschritte wie Denaturierung, Reduktion und Alkylierung der Antikörper verzichtet werden. Die Hydrolyse mittels Ameisensäure wurde bisher nur auf kleine und mittelgroße Proteine angewendet, sodass im ersten Teil dieser Arbeit mehrere Schritte optimiert wurden bevor zufriedenstellende Fingerprint-Spektren von Antikörpern erhalten wurden.
In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Nanomaterialien auf ihre Bindungsfähigkeit zu Proteinen untersucht. Zu Beginn standen dabei die Herstellung stabiler Dispersionen der einzelnen Nanopartikel und die Stabilität der gebildeten Konjugate im Vordergrund. Der Nachweis einer erfolgreichen Konjugatbildung, sprich der Beschichtung von Nanopartikel mit Proteinen, wurde sowohl qualitativ mittels DLS-Messungen als auch über quantitative Protein-Bestimmungen erbracht. Für die Quantifizierung konnten verschiedene Methoden eingesetzt werden. Neben der klassischen Vorgehensweise, welche indirekt über die Quantifizierung von ungebundenem Protein im Überstand erfolgt, konnten ihm Rahmen dieser Arbeit verschiedene direkte Bestimmungsmethoden entwickelt werden. So wurden mittels kolorimetrischer Tests, wie dem BCA-Assay und dem Bradford-Assay, Nanodiamantdispersionen mit Hilfe einer Korrekturwellenlänge vermessen und quantifiziert. Ebenso zum Einsatz kam die Methode der Aminosäureanalytik, welche aufgrund ihrer guten Rückführbarkeit auf Aminosäurestandards Ergebnisse mit hoher Richtigkeit generieren kann und ebenso die Detektion kleiner Proteinmengen möglich macht.
Nach den erfolgten quantitativen Betrachtungen wurden die Protein-beschichteten Nanopartikel auf ihre Anwendbarkeit als Analoga von Virus-like Particles (VLP) bei einer Immunisierung zur Gewinnung von polyklonalen Antikörpern gegen humanes Ceruloplasmin in Kaninchen überprüft. Es konnte mittels ELISA gezeigt werden, dass die Konjugate erfolgreich für die Herstellung von Antikörpern eingesetzt werden können und im zeitlichen Verlauf einer Immunisierung eine Steigerung des Antikörper-Titers zu erreichen ist.
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.
In 2019 over 30 000 people were killed or injured by explosions caused by explosives like TNT, PETN, HMX and RDX. Therefore, highly sensitive assays for the detection of TNT are needed. In this study we compared two commercially available TNT antibodies: A1.1.1 and EW75C with a highly optimized indirect competitive ELISA based on a BSA-TNA conjugate. As a result, a precision profile for both antibodies was determined with a LOD of 170 pmol L-1 for the clone A1.1.1 and a LOD of 3,2 nmol L-1 for the clone EW75C. The measurements showed that the clone A1.1.1 is a highly sensitive antibody for the detection of TNT while the clone EW75C does show medium performance at most.
In the cross-reactivity characterization of both antibodies many substances, closely related to the structure of TNT were tested. Both antibodies showed strong cross reactivity with trinitroaniline and trinitrobenzene. For the clone A1.1.1, which is known to originate from immunization of mice with an TNP-glycine-KLH conjugate, this has to be expected. Interestingly the clone EW75C, which was not characterized yet, showed similar behavior. This suggests a TNA-conjugate as immunogen for the EW75C antibody as well. None of both antibodies showed cross-reactions to the high explosives PETN, HMX and RDX. Also, the cross-reactions of nitro musks with the antibodies were investigated. Despite their prohibition, nitro musks are still used in Asia especially and are particularly popular in India. The overall superior clone A1.1.1 showed a significant cross-reactivity to musk ambrette. For practical reasons the influence of musk ambrette on this assay when used in natural environment should be investigated.
In further experiments, the highly sensitive TNT antibody A1.1.1 was digested with papain to obtain monovalent Fab-fragments. Due to its high stability against the digestion, a custom protocol for the IgG1 subclass of mice, to which the clone A1.1.1 belongs, was developed, resulting in a quantitative digestion of the intact antibody to Fab fragments. The success of the digestion was determined with MALDI-TOF-MS and SDS-PAGE. It was shown that this protocol worked for many different antibodies of IgG1 subclass as well.
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.
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.
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.
The trafficking of illegal drugs by criminal networks at borders, harbors, or airports is an increasing issue in public health as these routes ensure the main supply of illegal drugs. The prevention of drug smuggling, including the installation of scanners and other analytical devices to detect ultra-small traces of drugs within a reasonable time frame, remains a challenge. The presented immunosensor is based on a monolithic affinity column with a large excess of immobilized hapten, which traps fluorescently labeled antibodies as long as the analyte cocaine is absent. In the presence of the drug, some binding sites of the antibody will be blocked, which leads to an immediate breakthrough of the labeled protein, detectable by highly sensitive laser-induced fluorescence with the help of a Peltier-cooled complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera. Liquid handling is performed with high-precision syringe pumps and microfluidic chip-based mixing devices and flow cells. The biosensor achieved limits of detection of 23 pM (7 ppt) of cocaine with a response time of 90 seconds and a total assay time below 3 minutes. With surface wipe sampling, the biosensor was able to detect 300 pg of cocaine. This immunosensor belongs to the most sensitive and fastest detectors for cocaine and offers near-continuous analyte measurement.
Silicon photonic micro-ring resonators (MRR) developed on the silicon-on-insulator (SOI) platform, owing to their high sensitivity and small footprint, show great potential for many chemical and biological sensing applications such as label-free detection in environmental monitoring, biomedical engineering, and food analysis. In this tutorial, we provide the theoretical background and give design guidelines for SOI-based MRR as well as examples of surface functionalization procedures for label-free detection of molecules.
After introducing the advantages and perspectives of MRR, fundamentals of MRR are described in detail, followed by an introduction to the fabrication methods, which are based on a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology. Optimization of MRR for chemical and biological sensing is provided, with special emphasis on the optimization of waveguide geometry. At this point, the difference between chemical bulk sensing and label-free surface sensing is explained, and definitions like waveguide sensitivity, ring sensitivity, overall sensitivity as well as the limit of detection (LoD) of MRR are introduced. Further, we show and explain chemical bulk sensing of sodium chloride (NaCl) in water and provide a recipe for label-free surface sensing.
A novel stationary phase for affinity separations is presented. This material is based on sintered borosilicate glass readily available as semi-finished filter plates with defined porosity and surface area. The material shows fast binding kinetics and excellent long-term stability under real application conditions due to lacking macropores and high mechanical rigidity. The glass surface can be easily modified with standard organosilane chemistry to immobilize selective binders or other molecules used for biointeraction. In this paper, the manufacturing of the columns and their respective column holders by 3D printing is shown in detail. The model system protein A/IgG was chosen as an example to examine the properties of such monolithic columns under realistic application conditions. Several specifications, such as (dynamic) IgG capacity, pressure stability, long-term performance, productivity, non-specific binding, and peak shape, are presented. It could be shown that due to the very high separation speed, 250 mg antibody per hour and column can be collected, which surpasses the productivity of most standard columns of the same size. The total IgG capacity of the shown columns is around 4 mg (5.5 mg/mL), which is sufficient for most tasks in research laboratories. The cycle time of an IgG separation can be less than 1 minute. Due to the glass material's excellent pressure resistance, these columns are compatible with standard HPLC systems. This is usually not the case with standard affinity columns, limited to manual use or application in low-pressure systems. The use of a standard HPLC system also improves the ability for automation, which enables the purification of hundreds of cell supernatants in one day. The sharp peak shape of the elution leads to an enrichment effect, which might increase the concentration of IgG by a factor of 3. The final concentration of IgG can be around 7.5 mg/mL without the need for an additional nanofiltration step. The purity of the IgG was > 95% in one step and nearly 99% with a second polishing run.
The primary screening of hybridoma cells is a time-critical and laborious step during the development of monoclonal antibodies. Often critical errors occur in this phase, which supports the notion that the generation of monoclonal antibodies with hybridoma technology is difficult to control and hence a risky venture. We think that it is crucial to improve the screening process to eliminate most of the immanent deficits of the conventional approach. With this new microarray-based procedure, several advances could be achieved: Selectivity for excellent binders, high throughput, reproducible signals, avoidance of misleading avidity (multivalency) effects, and simultaneous performance of competition experiments. The latter can directly be used to select clones of desired cross-reactivity properties. In this paper, a model system with two excellent clones against carbamazepine, two weak clones and blank supernatant has been designed to examine the effectiveness of the new system. The excellent clones could be detected largely independent of the IgG concentration, which is unknown during the clone screening since the determination and subsequent adjustment of the antibody concentration is not possible in most cases. Furthermore, in this approach, the enrichment, isolation, and purification of IgG for characterization is not necessary. Raw cell culture supernatant can be used directly, even when fetal calf serum (FCS) or other complex media had been used. In addition, an improved method for the oriented antibody-immobilization on epoxy-silanized slides is presented. Based on the results of this model system, we conclude that this approach should be preferable to most other protocols leading to many of false positives, causing expensive and lengthy confirmation steps to weed out the poor clones.
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.
Preactivation crosslinking – An efficient method for the oriented immobilization of antibodies
(2019)
Crosslinking of proteins for their irreversible immobilization on surfaces is a proven and popular method. However, many protocols lead to random orientation and the formation of undefined or even inactive by-products. Most concepts to obtain a more targeted conjugation or immobilization requires the recombinant modification of at least one binding partner, which is often impractical or prohibitively expensive. Here a novel method is presented, which is based on the chemical preactivation of Protein A or G with selected conventional crosslinkers. In a second step, the antibody is added, which is subsequently crosslinked in the Fc part. This leads to an oriented and covalent immobilization of the immunoglobulin with a very high yield. Protocols for Protein A and Protein G with murine and human IgG are presented. This method may be useful for the preparation of columns for affinity chromatography, immunoprecipitation, antibodies conjugated to magnetic particles, permanent and oriented immobilization of antibodies in biosensor systems, microarrays, microtitration plates or any other system, where the loss of antibodies needs to be avoided, and maximum binding capacity is desired. This method is directly applicable even to antibodies in crude cell culture supernatants, raw sera or protein-stabilized antibody preparations without any purification nor enrichment of the IgG. This new method delivered much higher signals as a traditional method and, hence, seems to be preferable in many applications.
Spec2Seq
(2018)