GestaltningAktivitetsFörhållanden: Varför Ändrar Molekylar Shape?

Dr. Gerry Ronan, VD, Farfield Grupp Ltd.
Motsvarande författare: gronan@farfield-group.com

Bakgrund

Biochemistry karakteriseras av svagt, non covalent, förbindelser mellan stora biopolymers som är fortlöpande gjorda och brutna på varierande reaktionsstrykor. Växelverkanstyrkorna, typified av skåpbil der Waals typstyrkor kan variera förbi växelverkan distanserar till driva av 6 och därför kapaciteten av en molekyl ”passform” eller att inordna sig till forma av ett veck eller stoppa i fickan på en andra drev reaktionen.

Omvänt kan en bindande partner förvrida gestaltningen av en biomolecule (e.g ett protein) för att möjliggöra eller inaktivera en potentiell biochemical aktivitet som reglerar därmed reaktionen. Sannerligen är detta det grundläggande nämner först bak farmaceutiskt ingripande var lilla molekylar planläggs för att deras kapacitet selektivt ska påverka varandra och att förvrida gestaltningen av ett uppsätta som målprotein som blandas in i en sjukdommekanism.

DenPolarization Interferometryen (DPI) mäter gestaltningen av ett protein genom att mäta dess diameter (eller storleksanpassa) och tätheten (, dess samlas dvs. per enhetsvolym eller hur stramt vikt det är), genom att koppla ihop proteinet till en glass glidbana och att sondera genom att använda non-diffractive optik. Gestaltningen för metodbeslutprotein till subatomic dimensionerar (väl nedanför 0,1 Å) i real-time och har ett växande godtagande bland forskare i sätta in av proteinkarakteriseringen, en nödvändig disciplin i vetenskapen av proteomicsen.

I Farfield har vårt arbete över det förgångna årtiondet kretsat runt om riktamätningen av forma eller gestaltningen av biomolecules och hur detta ändrar, som biomoleculesna fungerar. Denna kapacitet att övervaka GestaltningAktivitetsFörhållandet (CAR) visas i en analytisk benchtop bearbetar bekant som en DubbelPolarisationInterferometer1 som mäter det molekylärt storleksanpassar och viker täthet (och samlas därför) av påverkande varandra biomolecules som fångas på en glass glidbana. Tekniken har picometerupplösning, är realtids och märker fritt och har redan en växande userbase över 19 länder över hela världen.

Betydelsen av GestaltningAktivitetsFörhållanden (CAR)

Till exempel i farmaceutisk design, väljer en konventionell drog som avskärmer det ska programet, kandidater från ett arkiv av många tusen, om inte miljoner på basen av deras kapacitet att klibba selektivt till proteinet uppsätta som mål (som blandat in i sjukdommekanismen) som ses till som frändskapet av växelverkan. Kickfrändskapväxelverkan kan uppstå på mycket låga koncentrationer av kandidaten, och därför är kandidaten mindre rimlig att framkalla biverkningar någon annanstans. Emellertid ger kickfrändskap ingen försäkring att kandidaten att inordna sig biomoleculen korrekt eller alls. Skulle det inte var bättre att ha en lägre frändskapmolekyl som framkallar den korrekta gestaltningen för den önskade aktiviteten som kunde därefter optimeras (vid molekylärt iscensätta) för att förhöja dess frändskap?

Ett enkelt exempel visas att nedanfört var ett uppsätta som målprotein (prionprotein som blandat in i nvCJD) utmanas av olika koncentrationer av ett nummer av, belägga med metall joner. Från samlas av belägga med metall jonen som är tillhörande på varje koncentration som frändskapet (och stökiometri) kan mätas. However från storleksanpassa och tätheten profilerar, kan en se omgående, att kobolt inte förvrider molekylstundzincen, som har en liknande frändskap, gör.

Dessutom förkopprar den tydliga conformational ändringen i fallet av (en compaction som visas som en minskning i storleksanpassa av proteinet och en förhöjning i dess täthet) inte vänder om fullständigt (den dvs. har bläddrat in i en olik stabil gestaltning eller isoform), eftersom den conformational ändringen med zinc vänder om fullständigt. Tre olika GestaltningAktivitetsFörhållanden från tre växelverkan med liknande frändskap.

Figurera 1. Exempel av olika GestaltningAktivitetsFörhållanden för bindande växelverkan för liknande frändskap av belägger med metall joner som är bindande till prionprotein (PrP). Visas samlas av anslutningen, och dissociation av olikt belägger med metall joner på olika koncentrationer (från vilket växelverkanfrändskapet kan beräknas) och motsvara storleksanpassar och täthet profilerar (från vilket de conformational ändringarna kan mätas). Maximat conformational ändring (Cu) är 0.04nm, och varje utmaning var en minimal injektion 5. (Dataartighet av Gifu Univ., Japan)

Conformational Ändringar i Tunt Filmar

Den Mjuka materien (e.g polymrer) är betvingar också till liknande distorsioner, och ofta är det denna formbara natur som är det definierande särdrag på nanoscalen. DubbelPolarisationInterferometryen (DPI) är också kapabel av att karakterisera dessa ändringar i polymrer och att mäta båda filmatjockleken, och R.I. och överenskommelse med andra analytiska tekniker liksom neutronreflexion och ellipsometry är2 utmärkta, som visat nedanfört Figurerar in 2. I Motsats Till ellipsometry emellertid, bestämmer ska DPI tjockleken och RIEN självständigt av varje annan på godtyckligt thin lagrar, och i motsats till neutrondata, ska den gör detta i real-time i en benchtop formaterar med både experimentellt och kontrollerar kanaliserar.

Figurera 2. Jämförelse av DPI och ellipsometerymätningar av en multilayer tankeskapelse för polyelectrolyte. På tjock lagraröverenskommelse för tjocklek (D) och R.I. (n) är utmärkt. På ellipsometry förminskande tjocklekar kräver kunskapen av RIEN (eller tjocklek) för att beräkna stunderna DPI för tjocklek (eller RI) kan mäta godtyckligt för att göra lagrar som tunnare avslöjer svängningen i täthet som är tillhörande med omväxlande realitet och negativt - laddat sätta in för lagrar. (Dataartighet av YKI, Stockholm)

Många andra exempel av församlade tankeskapelser för den sådan själven har varit utstuderade for example den DNA-multilayers3, chitosanen/heparin4och polyelectrolytes5,6.

Naturligtvis finns det många typer av conformational reorganisation av intresserar som inte gäller en bindande händelse. Polymern som sväller ändrande pH, är tack vare en som är sådan, bearbetar som kan snabbt och lätt karakteriseras igen på en upplösning som normalt är tillhörande med ”stor fysik. Ett enkelt exempel visas in Figurerar 3 var en ytbehandla som thin fångas filmar av poly (allylaminen) är utstuderad över en spänna av pH. På låg pH orsakar protonationen av polymern lagrar till dyningstunder på kicken pH som lagrar avtalar och täthetförhöjningarna.

Figurera 3. Polymer som tack vare sväller protonation som mätt av DubbelPolarisationInterferometry

Dessa mätningar kan också fördjupas till biopolymers, var övergångar från en isoform till en annan och också isoformstabilitet kan karakteriseras i en matris av olika temperaturer, pH, ionic strykor, vätskor, eller annat miljö- eller refolding villkorar.

Framtiden av DubbelPolarisationInterferometryen

Efter dess inledning i 20037har DubbelPolarisationInterferometryen adopterats av en lång räcka av forskare runt om världen i både liv- och läkarundersökningvetenskaperna. Dess kapacitet att mäta och karakterisera molekylär gestaltning på underatom- upplösning har skapat grundläggande nya tillfällen för nano och bio vetenskapsforskning. Den senaste utvecklingen av instrumentation, den Bio Arbetsstationen 4D är kapabel av en fördjupad temperatur till 65°C som låter mätningen av proteinmelten, och annat molekylärt arrangerar gradvis övergångar.

Genom att karakterisera kineticsen och frändskapet av växelverkan på olika temperaturer, är det också möjligheten som kvantifierar den fria energin, enthalpyen och entropin av inte endast bindande utan också conformational ändringar8. Detta låter för den första tiden riktamätningen av frändskap, kinetics, thermodynamics och conformational ändring av bandet eller refolding enkelt i ett singelexperiment.

Figurera 4. En DubbelPolarisationInterferometerbenchtop instrumenterar med automatiserat tar prov inledning.

I den framtida högre genomgången och mindre ta prov ska volymer krävs för att avskärma applikationer, men det finns många annat jämnar av spectroscopic information som kan också vara extracted.from den Bio Arbetsstationen 4D. Mätningen av mycket tidigt stadiumprotein som crystal det att bilda en kärna9 har redan visats genom att använda optisk förluststunddubbelbrytning, är nu van vid mäter beställer och oordning i lipidbilayers10 för att karakterisera proteinlipidväxelverkan. 11Vår vision för det nästa årtiondet är att förhöja troheten av characterisationen i dessa dimensionerar som väl riktigt för att exponera den molekylära världen!


Hänvisar till

1. Swann M.J., Borgare N.J, Arg G. Dubbel Polarization Interferometry: En RealtidsOptisk Teknik för att Mäta (Bio) Molekylär Riktning, Strukturerar och Fungerar på det Fast/Flytanden Har Kontakt. I: Handbok av Biosensors och Biochips, Uppsättning för 2 Volym (2007). Eds: R.S. Markera, C.R. Lowe, D.C. Cullen, H.H. Weetall, I. Karube. Wiley ISBN: 978-0-470-01905-4 Vol1, del 4, ch33, pp549-568.
2. Halthur T., Claessen P., Elofsson U., Immobilization av Protein för EmaljMatrisDerivate på Polypeptiden Multilayers, Komparativ i Situ Mätningar genom Att Använda Ellipsometry, Crystal Microbalance för Kvartar med Skingrande och Dubbel-Polarization Interferometry. Langmuir (2006) 22(26) 11065-71.
3. Lee L., Johnston A.P., Caruso F. och Att Behandla den multilayer salt och termiska stabiliteten av DNA filmar via oligonucleotidelängd. Biomacromolecules (2008) Nov. 9(11): 3070-8. Epub 2008 Oct 1.
4. Lundin M., Blomberg E., Tilton R.D., PolymerDynamik i Lagrar-vid-Lagrar Enheter av Chitosanen och Heparin, Langmuir, Artiklar ASAP, Publikationen Daterar (Rengöringsduken): November 18, (2009) (Artikeln) DOI: 10.1021/la902968h.
5. Aulin C., Varga I., Claesson P.M., Wågberg L., Lindström T., För Mycket av polyelectrolytemultilayers av polyethyleneiminen och microfibrillated cellulosa som är utstuderad by i situdubbel-polarization interferometry och den crystal microbalancen för kvartar med skingrande. Langmuir (2008) Fördärvar 18; 24(6): 2509-18. Epub (2008) Feb 16.
6. Lane T.J., FletcherW. R. Gormally, M.V., Johal M.S., Dubbel-Strålar Mechanistic Aspekter för PolarizationInterferometryBeslut av PolyelectrolyteAdsorption. Langmuir (2008) Precisera sina anklagelser mot ASAP, RengöringsdukFrigöraren Daterar: September 10, (2008).
7. Swann M.J., Borgare New Jersey, Carrington S., Ronan G., Barrett P. och Att Kvantifiera Strukturella Ändringar och Stökiometri av Att Använda för ProteinVäxelverkan Storleksanpassar och att Profilera för Täthet. Märker i PeptideVetenskap (2003) 10 487-494.
8. Använda van'ten Hoff och Eyring likställande.
9. Boudjemline A., Clarke D.T., Borgare New Jersey, Nicholson J.M., Jones G.R., Tidigt stadium av proteinkristallisering som avslöjt, genom att dyka upp optisk waveguideteknologi J. Appl. Cryst. (2008). 41 523-530. doi: 10.1107/S0021889808005098.
10. Mashaghi A., Swann M., Popplewell J., Textor M., Reimhult E., Optisk anisotropy av den stöttade lipiden strukturerar sonderat av waveguidespektroskopi och dess applikation till studien av stöttad kinetics för lipidbilayerbildande som är Anal. Chem., 80 (10), 3666-3676, (2008). PMID: Frigöraren för Rengöringsduk 18517221 Daterar: 19 Apr. (2008); (Artikel) DOI: 10.1021/ac800027s.
11. Sanghera N., Swann M.J., Ronan G., Pinheiro T.J., Inblick in i tidig sorthändelser i aggregationen av prionproteinet på lipidmembran, Biochimica et den Biophysica Actaen (BBA) - Biomembranes, Volym 1788, Utfärdar 10, Oktober (2009), Sidor 2245-2251.

Ta Copyrightt på AZoNano.com, Dr. Gerry Ronan (den Farfield Gruppen)

Date Added: Feb 14, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:46

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit