Glyko-Sequenzierung: Zucker im Windkanal

7. Oktober 2015
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Ein neues Verfahren nutzt einen gasgefüllten Raum, um Zucker detailgenau zu sequenzieren. Minimale Verunreinigungen oder Strukturveränderungen können schnell erkannt werden. Die Methode erleichtert die Qualitätskontrolle synthetischer Wirkstoffe und Diagnostika.

Während DNA-Moleküle aus vier Grundbausteinen und Proteine aus 20 Aminosäuren aufgebaut sind, existieren in der Natur mehr als 100 Zuckerbausteine. Darüber hinaus sind die DNA-Grundbausteine und Aminosäuren ausschließlich kettenförmig aneinandergefügt. Zucker können aber auch Verzweigungen und räumlich unterschiedliche Anordnungen, sogenannte Anomere, bilden. Fast alle Zellen sind von einem Zuckermantel umgeben, der für Immunantworten, für die Identifizierung von Zellen untereinander und die Befruchtung von Eizellen verantwortlich ist.

Die ungeheure Vielfalt der aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehenden Zuckermolekülen in der Natur kann aber für Chemiker bei der Forschung zum Problem werden, wenn sie spezifische Moleküle finden oder herstellen wollen. Denn einzelne Zuckerbausteine können auf sehr viele verschiedene Arten aneinander binden. Schon einfache Zuckermoleküle haben oft genau die gleiche Anzahl von Atomen; nur der Winkel einer Bindung unterscheidet sie. Diese anscheinend gleichen Moleküle, sogenannte Isomere, sind aber sehr unterschiedlich biologisch aktiv. Ein Beispiel sind Glukose und Galaktose. Die Summenformel ist identisch, C6H12O6, die Moleküle und deren biologische Wirkung sind es jedoch nicht.

Unterschiedliche Molekülformen aufklären

Durch das Ermitteln der Masse von Molekülen oder das Durchsuchen ihrer magnetischen Eigenschaften und das Licht, das sie aussenden, kann man viele Verbindungen gut aufklären. All das hilft aber nicht, wenn es sich um Zucker-Isomere handelt, bei denen nur die Anordnung der Atome unterschiedlich ist. Es gibt drei Arten solcher Unterschiede in Zuckern aus der gleichen Anzahl von Atomen: Komposition, Konnektivität und Konfiguration. Alle drei waren bisher nur mit sehr hohem Zeit- und Materialaufwand und mit großen Molekülmengen feststellbar.

Die Wissenschaftler um Kevin Pagel von der Freien Universität Berlin und dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und Professor Peter Seeberger vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der Freien Universität haben dieses Problem jetzt durch die Kombination verschiedener Methoden gelöst: Sie nutzen die unterschiedliche Form der Moleküle. Die Formen erzeugen in einem gasgefüllten Raum, durch den die Moleküle geschickt werden, unterschiedlich starken Widerstand, vergleichbar mit dem sogenannten cW-Wert in einem Windkanal. Pagel und seine Kollegen kombinierten diese Messung der Ionenmobilität mit einer Messung der Molekülmassen. Dann glichen sie beide Informationen gegeneinander ab, um Unterschiede in der Komposition, Konnektivität und Konfiguration zu finden. Große Moleküle werden dabei in Bestandteile zerlegt. Die Form der Bestandteile wird durch die Aufspaltung jedoch nicht verändert, sodass die Summe der Eigenschaften der Bestandteile das große Molekül genau beschreibt.

Glykan-Sequenzierung vor dem Durchbruch?

Kombiniert mit einer Datenbank, die derzeit erstellt und auch von anderen Wissenschaftlern bestückt werden soll, lässt sich das Analyseverfahren so auf eine immer größere Anzahl von Molekülen anwenden. Ist ein Molekül einmal systematisch identifiziert worden, kann es in Zukunft auch durch automatisierte Verfahren erkannt werden.

Praktischen Nutzen hat das neue Verfahren für die Qualitätskontrolle synthetisch hergestellter Zucker und die Entwicklung neuartiger Impfstoffe, Wirkstoffe und Diagnostika. Syntheseroboter reihen dabei Moleküle wie Perlen an einer Schnur auf. Bisher war es nur möglich, Unreinheiten zu entdecken, wenn sie mindestens fünf Prozent ausmachten. Mit der neuen „Windkanalmethode“ konnte diese Nachweisgrenze auf 0,1 Prozent verringert werden. „Die neue Methode ist schnell, zuverlässig und sehr sensitiv. Dadurch wird die Glykan-Sequenzierung einen riesigen Schub bekommen – ähnlich wie in der DNA-Forschung; auch dort brachte die Gensequenzierung den Durchbruch“, erklärt Seeberger.

Originalpublikation:

Identification of carbohydrate anomers using ion mobility-mass spectrometry
Kevin Pagel et al; Nature, doi: 10.1038/nature15388; 2015

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