Forschende der TU München haben eine Methode zur Proteinreinigung mit UV-Licht entwickelt, die eine schonendere und effizientere Isolierung ermöglicht. Dabei ersetzt das lichtsensitive Molekül Azo-Tag chemische Reagenzien, indem es unter UV-Licht seine Struktur verändert und das gebundene Protein freigibt.
Das patentierte Verfahren unterscheidet sich grundlegend von der herkömmlichen Affinitätschromatographie und eröffnet neue Möglichkeiten für die biotechnologische Forschung. Besonders in der Hochdurchsatz-Wirkstoffentwicklung könnte die Methode eine wichtige Rolle spielen.
UV-Licht statt Chemie: Ein neuer Weg zur Proteinreinigung
Wer molekularbiologisch oder -medizinisch forscht und arbeitet, benötigt Proteine in reiner Form als Untersuchungsgegenstand oder Wirkstoff für unterschiedliche Zwecke. Diese Proteine werden aus natürlichen Quellen isoliert oder mit Hilfe von genetisch veränderten Zellen produziert.
Das hierfür gängige Verfahren ist seit 50 Jahren die Affinitätschromatographie. Bei diesem Verfahren werden die Zellextrakte oder Kulturen durch eine Chromatographie-Säule geleitet, die mit einem porösen Trägermaterial gefüllt ist. Das Zielprotein wird an diesem Trägermaterial gebunden, durch Waschen mit einem Lösungsmittel von anderen Proteinen und Verunreinigungen abgetrennt und schließlich mit Säuren oder anderen Hilfsreagenzien von der Säule wieder abgelöst. Das Verfahren hat aber einen Nachteil: Das so gereinigte Zielprotein kann gerade bei dem letzten Schritt beschädigt werden. Ein Team um Arne Skerra, Professor für Biologische Chemie an der TUM, hat deshalb einen neuen Ansatz entwickelt.
Wir nutzen einen physikalischen Mechanismus anstelle chemischer Reagenzien. Dies unterscheidet unsere Technologie grundlegend von dem herkömmlichen Verfahren und macht sie zur schonenderen und effizienteren Alternative.
Prof. Dr. Arne Skerra, Professor für Biologische Chemie an der TUM
Molekül-Anhängsel „Azo-Tag“ funktioniert wie ein Anker
Auch bei dem neuen Verfahren kommt eine Chromatographie-Säule zum Einsatz, die mit einem porösen Trägermaterial gefüllt ist. Den wesentlichen Unterschied machen dann aber LED-Leuchten, die um die Säule angebracht sind, sowie ein kleines Molekülanhängsel, das dem Zielprotein angefügt wird.
Entwickelt wurde das minimalistische Anhängsel namens Azo-Tag von Peter Mayrhofer, Markus Anneser und Stefan Achatz zusammen mit Arne Skerra am Lehrstuhl für Biologische Chemie auf Grundlage der lichtsensiblen chemischen Gruppe „Azobenzol“. Es kann seine Gestalt unter bestimmter Lichteinstrahlung ändern und fungiert für das Zielprotein wie ein molekularer Anker: Bei Licht oder in der Dunkelheit bindet das Zielprotein über diesen Anker hochspezifisch an das Trägermaterial in der Chromatographie-Säule. Andere enthaltene Stoffe und Verunreinigungen können ausgewaschen werden, wobei das Zielprotein mit seinem Anker geschont wird.
Werden dann aber die LED-Leuchten angeschaltet und die Säule mit mildem UV-Licht von 355 Nanometer Wellenlänge bestrahlt, ändert das Anhängsel seine Form. Es lässt, vereinfacht gesagt, das Trägermaterial los, so dass das Zielprotein mit dem Azo-Tag in reiner, konzentrierter und unversehrter Form aus der Säule gewaschen wird. Das so isolierte Protein kann direkt für weitere Untersuchungen genutzt werden – also ohne zusätzliche Reinigungsschritte.
Effizienter als herkömmliche Chromatographie und mit Potenzial für Weiterentwicklung
Am Lehrstuhl für Biologische Chemie arbeitet man mittlerweile regelmäßig mit der Methode und konnte so auch schon Antikörper gegen Brustkrebs reinigen. Aktuell wird im Labor noch eine kleine Version der Apparatur genutzt. Die Chromatographie-Säule misst knapp einen Zentimeter im Durchmesser, könnte aber nach Einschätzung des Teams auch in größerem Maßstab gebaut werden.
Zudem gibt es weitere Pläne, sagt Arne Skerra, der mit seinen Mitarbeitern auf dieses Verfahren mittlerweile ein Patent angemeldet hat: „Wir arbeiten gerade daran, die Abläufe zu automatisieren, um noch effizienter zu werden, gerade auch für die Hochdurchsatz-Wirkstoffentwicklung in Pharma- oder Biotechnologieunternehmen.“
Originalpublikation:
Mayrhofer, P., Anneser, MR., Schira, K. et al. Protein purification with light via a genetically encoded azobenzene side chain. Nat Commun. (2024) doi.org/10.1038/s41467-024-55212-y