精密医療を推進するより簡単で安価な方法

タンパク質は、細胞内の生物学的機能のほとんどを担う働き者です。私たちが両親から受け継いだ遺伝子、いわゆるゲノムは固定されており、通常は生涯にわたって変化しませんが、体内のタンパク質は、加齢やさまざまな健康状態、治療などの刺激によって常に変化しています。

これにより、タンパク質とその分子変化のモニタリング（プロテオミクスの研究）が、新薬の発見、病気の診断、健康管理に役立つようになります。また、将来的には精密医療への扉を開く可能性もあります。

デラウェア大学化学・生化学科のプロテオミクス担当ディレクター、ヤンバオ・ユー氏は、プロテオミクス分析用のタンパク質サンプルを準備するための簡略化された方法を開発した。この方法は迅速で使いやすく、安価で、プロセスの他の部分と普遍的に互換性がある。ユー氏と共同研究者は、6月11日にCell Reports Methods誌に掲載された論文で、デラウェア大学が特許出願中のこの方法の有効性を報告した。

細胞内のタンパク質の数や構成を知ることは、研究者が特定の時間、あるいは長期間にわたって体内で何が起こっているかを理解するのに役立ちます。たとえば、特定のタンパク質の有無は、人の生物学的特徴を示す指標となります。

「簡単に言えば、あるタンパク質が病気のときにのみ存在する場合、このタンパク質は病気の指標、つまりバイオマーカーとして使用できる」とユー氏は述べた。

Yu 氏のようなプロテオミクス科学者は、質量分析計と呼ばれる非常に感度の高い機器を使用して、特定のタンパク質の正体を特定します。血液、組織、その他の生物学的材料のサンプルを処理して、質量分析に適合させ、読み取り可能にすることは、プロセスの重要な部分です。

ここで、Yu の仕事が登場します。

Yu 氏の方法は、効率的、効果的、かつ経済的な方法でサンプルの準備を簡素化します。この 3 つの要素は、同氏が E3 と呼ぶものです。同氏は、UD の経済革新およびパートナーシップ局 (OEIP) を通じて、特許出願中のこの方法を保護しました。プロテオミクス サンプル準備消耗品および機器の大手サプライヤーである CDS Analytical, LLC は、特許出願中の UD 技術の完全な商用権の独占ライセンスを保有しています。

CDS Analytical の Empore 膜と組み合わせたこの方法は、市場の他の製品と比較して、テスト用のサンプルを準備するための使いやすく低コストのプラットフォームを提供します。このプラットフォーム技術は、フィルター、ピペット、カートリッジ、プレートなど、複数のサンプル収集デバイスで使用できます。

「これは本当に使いやすい技術です」とユー氏は言う。「プロテオミクスを行うのに十分な自信を持つために博士号は必要ありません。私たちはこの方法を非常に堅牢で信頼できるものにしたので、どの研究室の科学者でも高品質のタンパク質調製を行うことができます。」

こうした種類の生物学的サンプルを準備するために使用される製品は通常、高価です。目標の 1 つは、現在市場で入手可能なものよりも手頃な価格にして、プロテオミクス実験の価格をゲノミクス実験のコストに近づけることで、精密医療や医療費に大きな影響を与える可能性があります。

「処理が私たちの技術の焦点です」とユー氏は言う。「今必要な化学試薬や消耗品のコストを削減できれば、将来これらの検査を質量分析法で実施できれば、すべての患者に利益をもたらすことができます。」

Yu 氏と彼の同僚は、最初にさまざまな形式とサンプル タイプをベンチマークし、複雑なものから細胞数が少ないものまで、さまざまなサンプルでプラットフォーム テクノロジのパフォーマンスを検証しました。研究チームは最初に、よく知られているプロテオームを持つ細菌である大腸菌を使用してプラットフォームのパフォーマンスを研究しました。さらに研究を進め、湿地細菌から菌類、唾液、組織、またはヒト細胞まで、あらゆる種類の生物学的材料サンプルを分析用に準備するためのテクノロジの有用性を検証しました。全体的なデータから、UD が開発した方法とその結果得られたテクノロジ プラットフォームは、多くの既存の方法と同等かそれ以上であることが示されました。

CDS Analytical は、2023 年 12 月に新しいプロテオミクス サンプル調製製品を商品化し、販売を開始しました。

「プロテオミクスのサンプル調製のボトルネックを解決するために、デラウェア大学のプロテオミクス消化および関連手順のこの革新的な技術を商品化する機会を得られたことを嬉しく思います」と、CDS Analytical Empore 部門マネージャーの Guotao Lu 氏は述べています。「CDS Analytical Empore ラインの StageTips 技術と MiniLab 5000 液体ハンドラーと合わせて、細胞から LC-MS までのプロテオミクス サンプル調製のワンストップ ソリューションを構築し、プロテオミクス分析の効率を改善してコストを削減し、科学者が生物学的システムをより効果的に調査および理解できるようにすることが当社の目標です。当社は、患者の満たされていない医療ニーズに対応するために、人間の生物学の深層メカニズムにおける科学的ブレークスルーを加速することを目指して、この革新的なプロテオミクス技術に貢献できることを大変嬉しく思っています。」

UD の分子生物学者モナ・バティッシュ氏は、体内の DNA によって生成される一本鎖リボ核酸分子である RNA の生物学を研究しています。バティッシュ氏は、ユウ氏の方法を使用して、細胞内にある環状 RNA と呼ばれる非コード RNA と相互作用する RNA 結合タンパク質 (RBP) を特定しました。環状 RNA は長期間にわたって体内に留まり、遺伝子発現を制御したり、腫瘍抑制因子として作用したり、化学療法などに対する耐性や感受性を引き起こしたりすることがあります。

バティッシュ氏によると、RBP は多くの細胞プロセスの鍵であり、最終的には RNA 分子が細胞内でどこに局在し、機能を果たすことができるかを決定するのに役立ちます。彼女は、環状 RNA が RBP に結合する仕組みをより深く理解したいと考えていました。これは、環状 RNA を病気のバイオマーカーや治療ターゲットとして利用できる可能性を完全に理解するために重要です。

「RNA結合タンパク質を見つけるのは面倒な作業です。特に、その量が少ない場合はなおさらです。しかし、ヤンバオの技術はこの問題を克服し、非常に優れたターゲットデータを提供してくれました」とバティッシュ氏は語った。「また、再現性も非常に高く、これは新しい生物学的発見について話すときに最も重要な要素です。この新しい技術では、これまで行ってきたことと比較して、サンプル全体で非常に優れた一貫性が見られました。」

デラウェア大学の地質学者クララ・チャン氏と、彼女の研究室の准科学者ジェシカ・ケファー氏は、多くの重要な環境機能を持つ鉱物である錆を生成する鉄酸化細菌を研究しています。これらの鉄酸化細菌は、土壌、湿地、水処理システム、海岸の堆積物、さらには海底にも見られます。研究者たちは、これらの鉄酸化細菌が錆鉱物を形成するためにどのようなタンパク質を使用するかを理解したいと考えていますが、この生物を培養して分析することは困難です。

チャン研究室が以前行ったプロテオミクス研究では、全体としてタンパク質が非常に少なく、限られたデータしか得られなかった。ケファー氏は以前、洗剤を使って細胞を破壊し、内部のタンパク質やその他の物質を放出していた。このプロセスは細胞溶解と呼ばれている。しかし、この方法では、細胞が適切に破壊されなかったり、回収しようとしているタンパク質に洗剤が悪影響を与えたりした場合、サンプルが失われる可能性がある。遠心分離機を使って細胞を高速で回転させて回収するという方法も選択肢になかった。

これはよくある問題です。研究者が生物学的サンプルを扱っているか環境サンプルを扱っているかにかかわらず、入手が困難な標本のサンプル損失を最小限に抑えることは重要な課題です。

「タンパク質はプラスチックに簡単に吸着、つまりくっついてしまいます。そのため、ピペッティングや液体の移し替えが増えると、サンプルの損失も増えます」とユー氏は言う。「理想的には、このような貴重なサンプルを少量、1 つのデバイスで処理したいのです。」

論文の中で、Yu 氏は数千個の細胞を使った原理実証データを示し、UD が開発した方法の強化によってこれが可能であることを示しています。

この問題に対処するため、ユー氏はケファー氏のために、細胞溶解のステップを省略し、代わりにチームの技術プラットフォームの強化版を使用して、細胞内で直接反応と処理を行うことを提案しました。UD が開発した方法により、ケファー氏はこれまで扱った中で最も少ないサンプル量から、多数のペプチドとタンパク質を回収することができました。これは将来有望な開発です。なぜなら、将来の研究では、質の高いデータを得るために、それほど多くの細胞を培養する必要がなくなるからです。

「私が現在取り組んでいるデータセットでは、私たちの生物から予測されたタンパク質全体の約 78% を検出しました。これは、これまでのどの試みよりも多くのタンパク質です」とケッファー氏は語ります。「データの質も非常に高いものでした。研究を再現したところ、データは非常に似通っていました。これは、私たちが見ているものに自信を持てるようになるために重要です。」

この種の情報は、他の生物にもこの錆生成能力があるかどうかについて研究者が知っていることを伝える可能性があり、また、これらのタンパク質を活用して望ましい環境変化を生み出したり、新しい材料を作ったりする技術につながる可能性があります。

チャン氏は、この新しい技術プラットフォームは有望だと述べた。

「タンパク質を検出し、その実際の量を知ることができれば、そのタンパク質が何をしているのかについて結論を出すのに役立ちます」と彼女は言う。「あまりよく育たない培養物でそれができれば、環境に行って、現在の環境プロテオミクスでわかることよりも、より完全な状況把握ができるかもしれません。」

ユウ氏のこの研究における次のステップには、この技術をより多くの生物系に適用し、ウイルス感染や癌など、人間の健康にもっと関係のある疑問に答えることが含まれます。将来的には、プロテオミクス コミュニティの研究者や、臨床医や医療技術者が日常の診断やスクリーニングを簡単かつ一貫した方法で実施するために、この製品を採用して使用するようになることをユウ氏は期待しています。

Martin KR、Le HT、Abdelgawad A、Yang C、Lu G、Keffer JL、Zhang X、Zhuang Z、Asare-Okai PN、Chan CS、Batish M、Yu Y。
プロテオーム解析のための効率的、効果的、かつ経済的な技術の開発。
細胞複製法。2024年6月10日:100796。doi: 10.1016/j.crmeth.2024.100796