Neuartige Raman-Technik durchbricht 50 Jahre der Frustration

04.08.2023 - USA

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Die Raman-Spektroskopie - eine chemische Analysemethode, bei der eine Probe mit monochromatischem Licht bestrahlt und das dabei entstehende Streulicht aufgezeichnet wird - sorgt seit mehr als einem halben Jahrhundert für Frustration bei biomedizinischen Forschern. Aufgrund der durch das Licht erzeugten Wärme werden lebende Proteine bei den optischen Messungen fast zerstört, was zu schwachen und nicht reproduzierbaren Ergebnissen führt. Seit kurzem könnten diese Frustrationen jedoch der Vergangenheit angehören.

Eine Gruppe von Forschern des Institute for Quantum Sciences and Engineering an der Texas A&M University und der Texas A&M Engineering Experiment Station (TEES) hat eine neue Technik entwickelt, die Screenings von Protein-Ligand-Wechselwirkungen in niedriger Konzentration und geringer Dosis unter physiologisch relevanten Bedingungen ermöglicht. Dieser neue Ansatz mit dem Namen Thermostable-Raman-Interaction-Profiling (TRIP) ist eine paradigmatische Antwort auf ein seit langem bestehendes Problem und ermöglicht markierungsfreie, hoch reproduzierbare Raman-Spektroskopie-Messungen.

"Proteine sind sehr zerbrechliche biologische Moleküle und bedürfen einer besonderen Pflege", sagt die Hauptautorin und Postdoktorandin Dr. Narangerel Altangerel. "Wenn ich die Oberfläche oder das Substrat abkühle, kann ich die Proteine glücklich machen. Ich kann sie mit dem Laser anstupsen, und sie können jetzt die Informationen ausgeben, die ich brauche."

Die untersuchten Proteine befinden sich zwar auf molekularer Ebene, aber die Auswirkungen dieser Erkenntnisse könnten enorm sein. Wie ein Schloss und ein Schlüssel ist eine Protein-Ligand-Interaktion der erste Schritt in Prozessen wie Signaltransduktion, Immunantwort und Genregulation. Dank der Fähigkeit von TRIP, Protein-Ligand-Interaktionen in Echtzeit zu erkennen, könnte die Zeitspanne für Arzneimittel- und Impfstofftests verkürzt werden. Eine weitere Anwendung könnte im klinischen Bereich liegen, wo langwierige Tests zum Nachweis eines Virus noch am selben Tag mit genauen Ergebnissen durchgeführt werden können.

"Der Grundgedanke des Spektroskopiestatuts ist, dass nur minimale oder gar keine Probenvorbereitung erforderlich ist, so dass das Verfahren sofort in der Klinik eingesetzt werden kann", sagte Mitautor und Universitätsprofessor im Fachbereich Biomedizintechnik Dr. Vladislav Yakovlev. "Kliniker und Patienten müssen nicht mehr tage- und wochenlang auf eine Analyse warten. Sie können all diese Antworten fast sofort erhalten."

Ein weiterer Vorteil des TRIP-Verfahrens besteht darin, dass die für die Durchführung des Tests erforderliche Probengröße viel kleiner ist und eine geringere Proteinkonzentration erfordert, was ein kostengünstigeres Verfahren für die Tests bedeutet.

"Ich kaufte 100 Mikroliter einer Probe für 3.500 Dollar, dann musste ich diese Probe mit mehreren Personen teilen und hatte am Ende nur noch eine Probe von 20 bis 30 Mikrolitern", sagte Altangerel. "Dadurch war ich gezwungen, eine kleinere Probe zu verwenden, was die Durchführung von Raman schwierig machte, da Proben mit geringer Konzentration ein schwaches Verfahren darstellen. Das hat mich herausgefordert, andere Dinge auszuprobieren".

Trotz des Durchbruchs sucht das Team nach weiteren Aspekten, bei denen die TRIP-Methode nützlich sein könnte.

"In einem Folgeartikel versuchen wir, die chemische Zusammensetzung dieser Proteine nur mit dieser Technik zu identifizieren, so dass wir dies auf ähnliche Ideen im Zusammenhang mit der DNA-Analyse und anderen biologischen Molekülen anwenden können", sagte Yakovlev. "Etwas, das normalerweise eine Sequenzierung erfordert, aber TRIP nutzt, so dass man keine Probenvorbereitung braucht."

"Lange Zeit dachte man, dass dies unmöglich sei", sagte Dr. Yakovlev. "Aber Dr. Altangerel hat gezeigt, dass in der Tat nichts unmöglich ist, wenn man es richtig macht.

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