Minimale Antikörper Analoga auf Nukleinsäuregerüsten

Die Erkennung von Antikörpern und Antigenen nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zu Beginn der Immunantwort ist ein grundlegender Aspekt des Lebens von Wirbeltieren, dessen Mechanismus weiterhin untersucht wird und seit Beginn der COVID-19-Pandemie von ständigem Interesse ist. Obwohl das Konzept des Schlüssel-Schloss-Prinzips einfach erscheint, verbirgt sich dahinter ein komplexer biochemischer Prozess, der die Reifung von sehr spezifischen Antikörpern aus einem naiven Set beinhaltet, bei welchem eine teilweise Bindung an ein neues Antigen erfolgt. Es gibt Hinweise darauf, dass das Immunsystem nicht das gesamte kombinatorische Arsenal an Bindungselementen einsetzt, um eine wirksame Reaktion auszulösen, sondern dass spezifische Aminosäuren, die sich an definierten Stellen des Paratops (der Antigenbindungsstelle des Antikörpers) befinden, eine effiziente Antigenbindung steuern können. Die Konstruktion molekularer Schlösser verspricht hochwirksame Ansätze zur Identifizierung und gezielten Bindung fremder Schlüssel, doch derzeit verfügbare Methoden sind verbunden mit hohen Kosten, geringem Durchsatz und/oder geringer Vielfalt. Monoklonale Antikörper können eine starke Epitop-Bindungsaffinität erreichen, sind aber teuer in der Herstellung und sehr arbeitsintensiv. Nukleinsäuren hingegen sind viel einfacher zu handhaben und herzustellen als Proteine, und sie können so gestaltet werden, dass sie proteinähnliche Eigenschaften aufweisen (Aptamere). Jedoch sind sie in der Regel in ihrer chemischen Komplexität auf das beschränkt, was Polymerasen als Substrate erkennen und verarbeiten können. Wir beabsichtigen, ein völlig neues Konzept zu erforschen, bei dem das Erkennungselement herkömmlicher Antikörper innerhalb eines Nukleinsäuremoleküls synthetisiert wird, welches so gefaltet ist, dass es eine paratopartige Struktur aufweist. Diese Nukleinsäure-Gerüste würde nur dazu dienen, ein System von Schleifen zu schaffen, welche mit Aminosäureseitenketten verziert sind, wie sie in hochaffinen Antikörpern häufig vorkommen: Tyrosin (Tyr) und Serin (Ser). Wir gehen davon aus, dass wir in der Lage sein werden, starke Bindungsinteraktionen mit minimalem Aminosäureeinsatz zu messen nicht nur, weil Tyr und Ser in der Regel in Paratopgruppen dominieren, sondern auch, weil wir sehr komplexe kombinatorische Bibliotheken von Antikörperanaloga durch parallele Nukleinsäuresynthese mit hohem Durchsatz herstellen wollen. Die Microarray-Photolithographie würde es uns ermöglichen, mehrere hunderttausend einzigartige synthetische Antikörper mit Hilfe automatisierter Nukleinsäure-Assemblierung und Phosphoramidit-Chemie zu erhalten und, was besonders wichtig ist, jede einzelne Variante unabhängig in einem einzigen Bindungsereignis zu testen. Ein großer Vorteil dieser Methode ist außerdem die Möglichkeit, die Bindungslandschaft zu scannen und die Spitzen und Täler der Bindungsstärke über das gesamte Paratop ohne Diskontinuität zu ermitteln. Kandidaten für minimale synthetische Antikörperanaloga auf Nukleinsäure-Gerüsten (MAANAS) können weiter verfeinert werden, indem sie um ein Zentrum von kritischen Tyrosin- und/oder Serinseitenketten herum gesucht werden. MAANAS sind dank der extrem robusten Phosphoramidit-Kopplungsreaktion einfach zu synthetisieren und können auf unkomplizierte Weise mit alternativen funktionellen Gruppen derivatisiert werden. MAANAS haben das Potenzial, das Bioengineering von Antikörpern zu wandeln, indem sie eine Plattform zur Erforschung von Nuklein-/Aminosäure-Chimären bieten, ohne auf enzymatische Reaktionen angewiesen zu sein und in einer völlig zellfreien Umgebung. Da MAANAS bei Bedarf schnell hergestellt werden können und sehr lange haltbar sind, werden sie ein leistungsfähiges Instrument für Biochemiker und synthetische Biologen sein, um den Mechanismus der Interaktion zwischen Paratop und Epitop zu untersuchen, zu modifizieren und neu zu gestalten.

Neue Nukleobasen, die über das ACGT-Alphabet hinausgehen, wurden in die DNA eingeführt. Diese modifizierten Basen enthalten funktionelle Arme, die die Seitenkette von Serin- und Tyrosin-Aminosäuren tragen, was der DNA eine neue Funktion verleihen dürfte. Wir konnten DNA-Chips herstellen, die diese neuen Basen enthalten, und haben festgestellt, dass diese Modifikationen die Stabilität und die Bindungsaffinität zu bestimmten Proteinzielen beeinflussen können. Daher können wir nun eine Hochdurchsatzsynthese von chemisch modifizierten DNA-Analoga durchführen, um die Geschwindigkeit, mit der wir verbesserte DNA-Varianten screenen und selektieren können, massiv zu erhöhen.