28 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) 항체나 인슐린과 같은 단백질 의약품 제조에서 가장 비용이 많이 드는 단계 중 하나는 정제 단계입니다. 즉, 단백질을 생산하는 데 사용된 생물반응기에서 단백질을 분리하는 것입니다. 이 단계는 단백질 제조 총 비용의 최대 절반을 차지할 수 있습니다. 이러한 비용을 줄이기 위한 노력의 일환으로 MIT 엔지니어들은 이러한 종류의 정제를 수행하는 새로운 방법을 고안했습니다. 특수한 나노입자를 사용하여 단백질을 빠르게 결정화하는 그들의 접근 방식은 미세 유체 장치, 특히 개발도상국에서 단백질 약물을 보다 저렴하고 접근 가능하게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
미세유체 장치는 단백질 용액을 나노입자와 결합한 다음 수천 개의 작고 동일한 물방울을 형성하도록 설계되었습니다. 각 물방울 내부에서 단백질은 나노입자와 상호작용하여 단백질 결정을 형성하는 데 도움을 줍니다. (연구원의 이미지 제공) "이 연구는 낮은 농도에서 단백질 결정 형성을 향상시키기 위한 템플릿 역할을 하기 위해 생체접합체로 기능화된 나노입자를 사용합니다"라고 MIT 기계공학과 교수이자 새로운 연구의 수석 저자인 Kripa Varanasi는 말했습니다. "목표는 개발도상국에서 이런 종류의 의약품 제조가 가능하도록 비용을 줄이는 것입니다." 연구자들은 그들의 접근법이 리소자임(항미생물 효소)과 인슐린을 결정화하는 데 사용될 수 있음을 입증했습니다. 그들은 항체 약물과 백신을 포함한 다른 많은 유용한 단백질에도 적용될 수 있다고 믿습니다. MIT 대학원생 Caroline McCue는 저널에 실린 연구의 주요 저자입니다. ACS 응용 재료 및 인터페이스 (“생접합체 기능화된 나노입자 및 기계 학습에 대한 현장 템플릿화를 사용하여 단백질 결정 핵형성 강화”). Henri-Louis Girard PhD '20도 이 논문의 저자입니다.
이 저속 촬영 비디오에서 단백질 결정은 생체접합체라고 불리는 분자로 기능화된 나노입자에서 더 빠르게 형성됩니다(상단). 하단의 나노입자에는 생체접합체 분자가 없습니다. (연구원 이미지 제공) 단백질 용액이 코팅된 나노입자에 노출되면 단백질이 표면에 축적되어 생체접합체에 결합합니다. 더욱이, 생체접합체는 단백질이 특정 방향으로 정렬되도록 강제하여 추가 단백질이 결정에 합류할 수 있는 발판을 만듭니다. 연구진은 결정화 특성이 잘 연구된 효소인 라이소자임과 인슐린을 사용하여 접근 방식을 시연했습니다. 그들은 이것이 다른 많은 단백질에도 적용될 수 있다고 말합니다. “이것은 다른 시스템으로도 확장할 수 있는 일반적인 접근 방식입니다. 결정화하려는 단백질 구조를 알고 있다면 이 과정이 일어나도록 하는 올바른 생체접합체를 추가할 수 있습니다.”라고 Varanasi는 말합니다.
미세유체 장치는 단백질 용액을 나노입자와 결합한 다음 수천 개의 작고 동일한 물방울을 형성하도록 설계되었습니다. 각 물방울 내부에서 단백질은 나노입자와 상호작용하여 단백질 결정을 형성하는 데 도움을 줍니다. (연구원의 이미지 제공) "이 연구는 낮은 농도에서 단백질 결정 형성을 향상시키기 위한 템플릿 역할을 하기 위해 생체접합체로 기능화된 나노입자를 사용합니다"라고 MIT 기계공학과 교수이자 새로운 연구의 수석 저자인 Kripa Varanasi는 말했습니다. "목표는 개발도상국에서 이런 종류의 의약품 제조가 가능하도록 비용을 줄이는 것입니다." 연구자들은 그들의 접근법이 리소자임(항미생물 효소)과 인슐린을 결정화하는 데 사용될 수 있음을 입증했습니다. 그들은 항체 약물과 백신을 포함한 다른 많은 유용한 단백질에도 적용될 수 있다고 믿습니다. MIT 대학원생 Caroline McCue는 저널에 실린 연구의 주요 저자입니다. ACS 응용 재료 및 인터페이스 (“생접합체 기능화된 나노입자 및 기계 학습에 대한 현장 템플릿화를 사용하여 단백질 결정 핵형성 강화”). Henri-Louis Girard PhD '20도 이 논문의 저자입니다.
단백질 정제
항체 및 기타 단백질 약물은 DNA 및 RNA와 같은 분자뿐만 아니라 세포 기반 치료법도 포함하는 생물학적 제제로 알려진 성장하는 약물 종류의 일부입니다. 대부분의 단백질 약물은 대형 생물반응기에서 효모와 같은 살아있는 세포에 의해 생산됩니다. 이러한 단백질이 생성되면 반응기에서 분리해야 하는데, 이는 일반적으로 크로마토그래피라는 프로세스를 통해 수행됩니다. 단백질을 크기에 따라 분리하는 크로마토그래피에는 특수 재료가 필요하므로 공정 비용이 매우 많이 듭니다. Varanasi와 그의 동료들은 단백질 결정화를 기반으로 하는 다른 접근 방식을 시도하기로 결정했습니다. 연구자들은 종종 구조를 연구하기 위해 단백질을 결정화하지만, 이 과정은 산업적으로 사용하기에는 너무 느리고 낮은 농도의 단백질에서는 제대로 작동하지 않는 것으로 간주됩니다. 이러한 장애물을 극복하기 위해 Varanasi의 연구실은 결정화 속도를 높이기 위해 나노 규모 구조를 사용하기 시작했습니다. 이전 연구에서 이 연구실은 물을 밀어내는 물질을 만들거나 점성이 높은 생물학적 약물을 주입하기 위한 인터페이스를 수정하기 위해 나노 규모의 기능을 사용했습니다. 이 경우, 연구자들은 표면의 단백질 농도를 국부적으로 증가시키고 단백질이 올바르게 정렬되어 결정을 형성할 수 있는 주형을 제공할 수 있도록 나노입자를 조정하기를 원했습니다. 필요한 표면을 만들기 위해 연구진은 다른 분자 사이의 연결을 형성하는 데 도움이 되는 물질인 생체접합체(bioconjugate)라는 분자로 금 나노입자를 코팅했습니다. 이번 연구를 위해 연구진은 연구를 위해 단백질을 태깅하거나 약물 전달 나노입자에 단백질 약물을 부착하는 데 일반적으로 사용되는 말레이미드(maleimide)와 NHS라는 생체접합체를 사용했습니다.
이 저속 촬영 비디오에서 단백질 결정은 생체접합체라고 불리는 분자로 기능화된 나노입자에서 더 빠르게 형성됩니다(상단). 하단의 나노입자에는 생체접합체 분자가 없습니다. (연구원 이미지 제공) 단백질 용액이 코팅된 나노입자에 노출되면 단백질이 표면에 축적되어 생체접합체에 결합합니다. 더욱이, 생체접합체는 단백질이 특정 방향으로 정렬되도록 강제하여 추가 단백질이 결정에 합류할 수 있는 발판을 만듭니다. 연구진은 결정화 특성이 잘 연구된 효소인 라이소자임과 인슐린을 사용하여 접근 방식을 시연했습니다. 그들은 이것이 다른 많은 단백질에도 적용될 수 있다고 말합니다. “이것은 다른 시스템으로도 확장할 수 있는 일반적인 접근 방식입니다. 결정화하려는 단백질 구조를 알고 있다면 이 과정이 일어나도록 하는 올바른 생체접합체를 추가할 수 있습니다.”라고 Varanasi는 말합니다.
신속한 결정화
리소자임과 인슐린에 대한 연구에서 연구진은 나노입자가 노출되지 않거나 노출되지 않은 경우에 비해 단백질이 생체접합체로 코팅된 나노입자에 노출되었을 때 결정화가 훨씬 더 빠르게 발생한다는 사실을 발견했습니다. 연구진은 코팅된 입자를 사용하여 유도 시간(결정이 형성되기 시작하는 데 걸리는 시간)이 XNUMX배 감소하고 핵 생성 속도(결정이 시작된 후 얼마나 빨리 성장하는지)가 XNUMX배 증가한 것을 확인했습니다. McCue는 “낮은 단백질 농도에서도 이러한 생체접합체 기능화된 나노입자로 더 많은 결정이 형성되는 것을 볼 수 있습니다.”라고 말합니다. “기능화된 나노입자는 이러한 생체접합체가 단백질이 결합할 수 있는 특정 부위를 제공하기 때문에 유도 시간을 크게 단축시킵니다. 그리고 단백질이 정렬되어 있기 때문에 더 빨리 결정을 형성할 수 있습니다.” 또한 팀은 기계 학습을 사용하여 수천 개의 결정 이미지를 분석했습니다. “단백질 결정화는 확률론적 과정이므로 우리의 접근 방식이 결정화의 유도 시간과 핵 생성 속도를 향상시키고 있는지 실제로 측정할 수 있도록 거대한 데이터 세트가 필요했습니다. 처리할 이미지가 너무 많기 때문에 머신 러닝은 각각의 이미지를 수동으로 계산할 필요 없이 각 이미지에서 결정이 형성되는 시기를 확인할 수 있는 가장 좋은 방법입니다.”라고 McCue는 말합니다. 이 프로젝트는 임상 시험에서 말라리아를 예방하는 것으로 밝혀진 예방 항체와 같은 생물학적 약물을 개발 도상국에서 더 널리 사용할 수 있도록 만들기 위한 빌 앤 멜린다 게이츠 재단 노력의 일환입니다. MIT 팀은 현재 산업용 생물반응기에서 사용될 수 있도록 공정을 확장하고 단일클론 항체, 백신 및 기타 유용한 단백질과 함께 작동할 수 있음을 입증하기 위해 노력하고 있습니다. 바라나시는 “어디서나 이러한 단백질을 더 쉽게 제조할 수 있다면 전 세계 모든 사람이 혜택을 볼 수 있다”고 말했습니다. “우리 때문에 내일 이 문제가 해결될 것이라는 말은 아니지만, 이는 그 사명에 기여할 수 있는 작은 발걸음입니다.”- SEO 기반 콘텐츠 및 PR 배포. 오늘 증폭하십시오.
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- 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62471.php
