1.5 Proteinanalytik
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Organisationseinheit der BAM
Remote sensing of hazardous substances is a key task that can be achieved with the help of remotely operated platforms equipped with specific sensors. A huge variety of methods and used vehicles have been developed for different purposes in recent years. The term smart dust refers to a science fiction novel and develop shortly after into a research proposal at UC Berkley funded by DARPA. Subsequently, the topic gained attraction but was overall considered as to complex for the technologies available at that time. In the launched passive smart dust project, we shift to a simple “chemical intelligent” passive sensor particle on the ground combined a read-out active sensor attached to an Unmanned Aerial Vehicle (UAV). The reactive particle surface can be preadjusted in the lab for exact desired properties regarding certain reactions to hazardous substances.
Moreover, the aimed interaction with the active sensor can be modified. Planed applications allow for different materials e.g., for short time measurement, being ecologically degradable, or weather stable for long time monitoring.
Therapeutische Antikörper sind innerhalb weniger Jahre zur wichtigsten pharmazeutischen Produktklasse aufgestiegen. Für 2023 werden weltweite Umsätze von über 200 Milliarden USD erwartet. Auch diagnostische Antikörper sind mittlerweile unverzichtbare Produkte, auf deren Basis zahllose Immunoassays und andere Schnelltests entwickelt wurden. Neben der bereits sehr aufwendigen Herstellung von Antikörpern ist deren Aufreinigung aus komplexen Zellkulturmedien oder Blutseren und -plasmen zu einem Engpass in der Produktion und Nutzung dieser komplexen Proteine geworden. Schnelle und einfache Reinigungsmethoden für Antikörper sind daher sehr gefragt.
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.
Communities worldwide face significant threats from Explosive Remnants of War (ERW), which endanger lives and restrict land usage. From forest fires due to ERWs or in ERW-contaminated areas (e.g., in Jüterbog, Germany) to broader global challenges (e.g., the Ukrainian conflict), the need for efficient detection and removal of these remnants, especially for humanitarian demining, is paramount. Traditional methods, like manual demining, have severe limitations in safety and efficiency. Here, we introduce an innovative solution to these challenges: “Chemosensing Smart Dust.” This technology uses chemoselective dyes that change their fluorescence properties when exposed to explosives like 2,4,6-trinitrotoluene (TNT). Fluorescence-based detection offers superior sensitivity, reduced likelihood of false positives, and enhanced accuracy of explosive detection. Drones, equipped with excitation lasers or LEDs, deploy the Chemosensing Smart Dust over areas of interest and actively detect the fluorescence changes using high-resolution cameras, offering a rapid, safe, and adaptable detection method. Beyond demining, this innovative approach has potential applications in monitoring polluted areas, homeland security, and emergency response.
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.
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.
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.
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.