Der Kohlenhydrat-Windkanal: Leistungsstarke Kohlenhydratanalytik zur Sequenzierung und Qualitätskontrolle | 2020

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Anonim

Prof. Seeberger erklärt: "Die neue Methode ist schnell, zuverlässig und sensitiv. Die Glykowissenschaften werden einen Schub bekommen, vergleichbar mit den Fortschritten bei der Entwicklung der Gensequenzierung." Die Struktur von Kohlenhydraten ist viel komplizierter als die von genetischem Material oder Proteinen.

Kohlenhydratketten können aus mehr als 100 Bausteinen gebildet werden, die in verzweigten Ketten miteinander verbunden werden können und unterschiedliche räumliche Strukturen aufweisen können, sogenannte Anomere. Im Vergleich dazu sind DNA-Moleküle, die aus 4 Bausteinen bestehen, und Proteine, die auf 20 Aminosäuren basieren, vergleichsweise einfach.

Bis 1974 wurden sieben Nobelpreise in den Glykowissenschaften verliehen. Danach konnten die Fortschritte bei den Analysemethoden jedoch nicht mit den Fortschritten in der Genetik mithalten. Glykane sind wichtig, da Zucker, die die menschlichen und bakteriellen Zelloberflächen bedecken, ein wesentlicher Bestandteil der Immunantwort und der Erkennungsereignisse wie Befruchtung sind.

Die unglaubliche Vielfalt an Kohlenhydraten (die nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen) ist eine allgemeine Herausforderung für Chemiker. Kohlenhydratbausteine ​​können auf viele verschiedene Arten verknüpft werden. Sogar einfache Kohlenhydrate mit der gleichen Anzahl von Atomen und der gleichen Masse können sich in nur einem Bindungswinkel unterscheiden. Diese nahezu identischen Moleküle, Isomere genannt, weisen sehr unterschiedliche biologische Funktionen auf. Glucose und Galactose haben zum Beispiel eine identische Formel (C6H12O6), aber ihre Funktionen sind unterschiedlich.

Chemiker verwenden Tricks, um Moleküle zu identifizieren, da die meisten Moleküle auf atomarer Ebene nicht beobachtet werden können. Daher werden die molekularen, elektronischen oder elektromagnetischen Eigenschaften gemessen. Diese Verfahren können jedoch die mit Kohlenhydratisomeren verbundenen Probleme nicht lösen. Kohlenhydratmoleküle, die aus der gleichen Anzahl spezifischer Atome bestehen, können sich in ihrer Zusammensetzung, Konnektivität und Konfiguration unterscheiden. Bisher war ihre Differenzierung eine mühsame und zeitaufwendige Aufgabe, die große Probenmengen erforderte.

Die Wissenschaftler aus Berlin und Potsdam nutzen die unterschiedlichen Formen von Kohlenhydraten. Je nach Form benötigen die Moleküle unterschiedliche Zeiten, um ein gasgefülltes Rohr zu passieren - vergleichbar mit dem Luftwiderstandsbeiwert in einem Windkanal. Kevin Pagel und seine Kollegen kombinieren diese Ionenmobilitätsmessung mit Massenspektrometrie, um Unterschiede in Zusammensetzung, Konnektivität und Konfiguration festzustellen. Größere Moleküle werden in Fragmente zerbrochen. Während dieser Fragmentierung werden jedoch die Struktureigenschaften der resultierenden Teile nicht so verändert, dass die Summe der Fragmenteigenschaften die des großen Moleküls widerspiegelt. Diese Kombinationsmethode erinnert an das Sherlock Holmes-Zitat: "Wenn Sie das Unmögliche beseitigt haben, muss die Wahrheit übrig bleiben."

In Kombination mit einer Datenbank, die derzeit entwickelt wird und durch die schnell zunehmende Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern erweitert wird, wird diese Methode in Zukunft verallgemeinert. Sobald ein Molekül in die Datenbank eingegeben wurde, können automatisierte Prozesse verwendet werden, um sie zu erkennen.

Die neue Methode wird die Qualitätskontrolle für synthetische Kohlenhydrate ermöglichen, die von Syntheserobotern hergestellt werden, indem Bausteine ​​wie Perlen an einer Schnur hinzugefügt werden. Bislang waren Verunreinigungen unterhalb von 5 Prozent schwer zu erkennen, während der neue Kohlenhydrat- "Windkanal" die Empfindlichkeit drastisch auf 0,1 Prozent senkt.