Ein neuer Weg, Zellen zu konstruieren: Die Staudinger-Ligation

Ein neuer Weg, Zellen zu konstruieren: Die Staudinger-Ligation
Ein neuer Weg, Zellen zu konstruieren: Die Staudinger-Ligation
Anonim

BERKELEY, CA - Nein, die "Staudinger Ligation" ist nicht der neueste Thriller von Robert Ludlum; Es handelt sich um eine neue chemische Reaktion in einem wachsenden Arsenal von Techniken der Zelltechnik, die von Carolyn Bertozzi vom Lawrence Berkeley National Laboratory des Energieministeriums entwickelt wurden, einer Pionierin bei der Modifikation der Oberflächen lebender Zellen.

Mit ihrer Studentin Eliana Saxon beschreibt Bertozzi, Mitglied der Abteilungen für Materialwissenschaften und physikalische Biowissenschaften des Berkeley Lab und außerordentliche Professorin für Chemie an der University of California in Berkeley, die Staudinger-Ligation in der Ausgabe des Magazins Science vom 17. März.

Bertozzi und ihre Kollegen haben menschliche Zellen so konstruiert, dass sie Marker auf Oligosacchariden zeigen, den komplexen natürlichen Zuckern, die Zelloberflächen bevölkern. Durch Ligation mit spezifischen Reagenzien bieten die Marker neue Möglichkeiten, Zellen als Ziele für die Krebstherapie zu markieren; Anhaften von Zellen an nichtbiologischen Materialien wie medizinischen Implantaten; Bildung neuer Rezeptoren für viral vermittelten Gentransfer; und andere Funktionen.

Im Gegensatz zu den früher von Bertozzi entwickelten Ketonmarkern, die von natürlichen Ketonmetaboliten innerhalb der Zelle gestört werden können, liefert die neue Staudinger-Ligation Azidmarker, die ausschließlich mit nichtbiologischen Gruppen reagieren. Da Azide (eine Klasse von Verbindungen mit drei Stickstoffatomen) nicht mit anderen biologischen Molekülen außerhalb oder innerhalb der Zelle reagieren, sind sie vielversprechend für die Veränderung des Zellinneren sowie ihrer Oberfläche.

"Bei jedem zellulären Engineering ist die Art der Chemie der Schlüssel", sagt Bertozzi.„Wir brauchen Reaktionen, die in einer wässrigen Umgebung bei Körpertemperatur stabil sind, die hochselektiv sind und die normale Zellprozesse oder miteinander nicht stören – das nennen wir ‚orthogonal‘zu zellulären Komponenten. Das heißt wir müssen neue Reaktionen erzeugen."

Als er nach einer Reaktion suchte, die angemessen orthogonal und für Zellen harmlos war, erinnerte sich Bertozzi an "eine meiner Lieblingsreaktionen aus dem Chemieunterricht im Grundstudium, die Staudinger-Reaktion - sie ist erstaunlich selektiv."

Benannt nach dem deutschen synthetisch-organischen Chemiker Hermann Staudinger, der 1953 den Nobelpreis für seine bahnbrechenden Arbeiten in der Polymerchemie erhielt, findet die Staudinger-Reaktion zwischen einem Azid und einem Phosphin statt, einem Molekül, das ein Phosphoratom enthält. Das Azid gibt zwei Stickstoffatome ab und es entsteht eine Verbindung namens Aza-Ylid.

Auf den ersten Blick scheint diese Reaktion ideal für das Zell-Engineering: Weder Phosphine noch Azide reagieren mit biologischen Molekülen, aber sie reagieren schnell und hocheffizient miteinander, in Wasser und bei Raumtemperatur.Leider zerfallen die resultierenden Aza-Ylide in Wasser fast so leicht wie sie sich bilden.

"Wir haben uns gefragt, ob wir eine andere Art von Aza-Ylid herstellen könnten, das sich in ein stabiles Addukt umwandelt. Staudinger hätte die Herausforderung geliebt!" Bertozzi und Saxon fügten dem Phosphin eine elektronenhungrige Kohlenhydratfalle hinzu, die sich an das elektronenreiche Aza-Ylid bindet und verhindert, dass es in Wasser auseinanderfällt, wodurch anschließend eine stabile Amidbindung entsteht.

Die Technik funktionierte gut auf dem Labortisch, aber, sagt Bertozzi, "die Zelloberfläche ist viel anspruchsvoller als das Reagenzglas. Jetzt mussten wir einen Weg finden, Azide auf Zellen zu installieren."

Zum Teil, weil Azide kleine funktionelle Gruppen sind, werden sie leicht in Sialinsäurereste eingebaut, Zucker, die Bestandteile einiger Zelloberflächen-Oligosaccharide sind. Als Bertozzi und Saxon kultivierte Zellen mit einem Sialinsäurevorläufer fütterten, der die Azidgruppe enthielt, stellten die Zellen reichlich azidh altige Oligosaccharide her und präsentierten sie auf ihren Oberflächen.

Als nächstes wurde ein wasserlösliches Phosphin verwendet, um fluoreszierende Sonden zu markieren, um die Azid-Marker zu finden. Als diese chemischen Sonden mit den behandelten Zellen in Wechselwirkung treten durften, wurden die Zellen intensiv fluoreszierend – die Phosphine hatten die Azide gefunden.

"Wir haben eine nützliche Reaktion entwickelt, die auf einem biologischen Auftrag basiert: dass die neuen Marker und Reagenzien abiotisch und für die Zellen harmlos sein müssen", sagt Bertozzi. Behandelte Zellen, die mehrere Tage kultiviert wurden, zeigten keine Veränderung der Wachstumsrate, was darauf hinweist, dass weder die künstlichen Zucker noch die Anheftung der Sonden die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigten.

Denn die „Staudinger-Ligation“, benannt nach der klassischen Reaktion, die sie inspirierte, ist potenziell nützlich, um Komponenten des Zellinneren – etwa Aminosäuren, aus denen Proteine ​​zusammengesetzt werden – zu markieren, die bisher nicht beobachtbare Wechselwirkungen in der Zelle bewirken zugänglich werden können. „Dies gibt uns einen neuen Weg für die Entwicklung der Zellchemie.Die Zelle ist jetzt weniger eine Black Box."

"Cell Surface Engineering By a Modified Staudinger Reaction", von Eliana Saxon und Carolyn R. Bertozzi, erscheint in der Ausgabe der Zeitschrift Science vom 17. März 2000.

Das Berkeley Lab ist ein nationales Labor des US-Energieministeriums in Berkeley, Kalifornien. Es führt nicht klassifizierte wissenschaftliche Forschung durch und wird von der University of California verw altet.

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