DE102011008406A1

DE102011008406A1 - Schnell koppelnde Biomoleküle

Info

Publication number: DE102011008406A1
Application number: DE201110008406
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-07-12

Abstract

Bei Biomolekülen kann es zu einer Langstreckeninteraktion kommen, die eine bestimmte Klasse von Biomolekülen schneller als es von rein stochastischen Verhalten gemäß der Affinitätstheorie zu erwarten wäre, zu ihren Liganden bzw. Rezeptoren führt. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaffung neuer oder Selektion von bekannten Biomolekülen, die eine über 3 Nanometer hinausreichende Reichweite der Langstreckeninteraction mit Liganden, Rezeptoren oder Terahertz-Signalen besitzen.

Description

Das Koppeln von Proteinen an ihre Liganden oder Rezeptoren wird häufig über die Affinität der Moleküle definiert. Je größer die Affinität ist, desto größer ist die zugehörige Assoziationskonstante. Alternativ zur Assoziationskonstante wird häufig auch der Begriff einer Dissoziationskonstante verwendet. Diese entspricht dem Kehrwert der Assoziationskonstante. Die gängige Definition dieser Konstanten ist beispielsweise in der Online-Bibliothek Wikipedia unter dem Begriff „Affinität (Biochemie)” ersichtlich. Ebenso können die Definitionen von Dissoziationskonstante, Protein, Ligand und Rezeptor der Online-Bibliothek Wikipedia entnommen werden.
Bindet ein als Rezeptor wirkendes Protein an ein anderes Protein so wirkt das zweite Protein als Ligand.
Bei den Kopplungen von Proteinen an ihre Liganden oder Rezeptoren wird immer davon ausgegangen, dass die Annäherung aufgrund eines stochastischen Prozesses stattfindet und es dann nach diesem stochastischen Prozess zu einer Bindung kommt. Der Stand der Technik wird z. B. in der Lerneinheit Affinitätsreaktionen auf der Homepage www.chemgapedia.de dargestellt.
Es wird lediglich im Nahfeldbereich von wenigen Nanometern davon ausgegangen, dass hier ein systematischer nicht stochastischer Prozess stattfindet. Entsprechende Computersimulationen sind z. B. in dem Artikel vom Matteo Pellegrini und Sebastian Doniach, Computer Simulation of Antibody Binding Specifity, Proteins: Structure, Function, and Genetics 15: 436–444 (1993) beschrieben worden.
Weiterhin ist bekannt, dass Proteine schwingfähige Strukturen im Teraherzfrequenzbereich besitzen. Quelle für diese Aussage ist hier unter anderem eine Pressemitteilung vom 09.09.2010 der Ruhr-Universität Bochum. Es wird hier darauf hingewiesen, dass Proteine und sie umgebende Wassermoleküle im Terahertzbereich schwingen und dies dazu führt, dass der Fisch Macropteris maculatus nicht einfriert.
Im Jahr 1998 ist im Hause des Anmelders bei der Ankopplung von Anti-Myoloperoxidase-Autoantikörper an ihre Antigene erstmalig lineares Ankoppelverhalten festgestellt worden, was mit der gängigen Theorie eines stochastischen Ankoppelprozesses nicht in Einklang gebracht werden konnte. Eine Interpretation der Messergebnisse erfolgte jedoch nicht. Im Rahmen des Forschungprojektes „Andrea Quant” wurden dann Messungen an rekombinant hergestellten ARA H2 und ARA H6 Antigenen durchgeführt. Hierbei wurde festgestellt, dass unmarkierte Antikörper ein anderes Ankoppelverhalten besitzen als goldmarkierte Antikörper. Auch hier war das zeitliche Ankoppelverhalten von unmarkierten Antikörpern nicht mit dem Stand der Wissenschaft in Einklang zu bringen, während sich markierte Antikörper so verhielten, wie es die klassische Affinitätstheorie vorsah.
Auf Basis dieser Daten wurde eine wissenschaftliche Theorie entwickelt, mit der es durch Einführen einer Langstreckeninteraktion möglich ist, das Bindeverhalten von unmarkierten Proteinen besser zu beschreiben als es die klassische Affinitätstheorie zuläßt.
1 zeigt den prinzipiellen Unterschied zwischen markierten und unmarkierten Antikörpern. Die unmarkierten Antikörper, die sich innerhalb der Kommunikationsreichweite (1) befinden, bewegen sich mit weitgehend konstanter Geschwindigkeit auf die Antigene zu. Das Ankoppelverhalten ist bis zum Zeitpunkt t₀ weitgehend linear (3) und kann durch die Gleichung d = const·t beschrieben werden. Antikörper im mit (2) gekennzeichneten Bereich kommen über einen stochastischen Prozess in den Bereich (1) und bewegen sich dann mit konstanter Geschwindigkeit auf die Antigene zu. Da der Übertritt vom Bereich 2 in den Bereich 1 stochastischer Natur ist, sieht das dann folgende Ankoppelverhalten stochastisch aus (4). Bei markierten Antikörpern (5) ist das gesamte Ankoppelverhalten stochastisch (6).
Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, das natürliche oder künstliche Biomoleküle nicht schnell genug ihre Liganden oder Rezeptoren finden.
Ziel der Erfindung ist es, Biomoleküle (z. B. Rezeptoren, Liganden, Antikörper, Antigene, Proteine, Enzyme, Peptide, Viren, Bakterien) zu erhalten, die sehr schnell an ihre Rezeptoren bzw. Liganden ankoppeln. Ihr Ankoppelverhalten ist durch Linearität (3) oder zumindest höhere Steigung als bei rein stochastischem Ankoppelverhalten (6) gekennzeichnet. Hierdurch können z. B. hochspezifische medizinische Tests oder wirksame Medikamente auf der Basis selektierter oder synthetischer bzw. rekombinanter Biomoleküle hergestellt werden, die ihre Zielmoleküle sehr schnell auffinden können. Gemäß unseren Messungen weisen auch natürliche Biomoleküle entsprechende Eigenschaften auf. Ziel der Erfindung ist deshalb neben der Schaffung von teilweise künstlichen (rekombinanten) oder komplett künstlichen Biomolekülen auch die Schaffung einer Methode für die gezielte Selektion oder Aufkonzentration von natürlichen Biomolekülen aus eine größeren Menge von Molekülen.
Der Patentanspruch hilft direkt oder indirekt dabei, dass neue Moleküle mit der gewünschten Eigenschaft (schnelles Auffinden ihrer Rezeptoren bzw. Liganden) gezielt kreiert werden können oder aus einer Menge von bekannten Molekülen durch Selektion herausgefiltert werden, so dass Moleküle mit diesen speziellen Eigenschaften gezielt zur Verfügung stehen. Um eine Selektion durchführen zu können, können Antigene, Rezeptoren oder Liganden, auf die sich die Biomoleküle zubewegen, eingesetzt werden. Alternativ reicht jedoch auch eine THz-Strahlquelle aus, die ganz oder teilweise elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich 0,1 THz bis 10 THz abgibt bzw. eine elektrische Ladung in diesem Frequenzbereich schwingen lässt, um dafür zu sorgen, dass die Biomoleküle sich auf die Strahlquelle zu bewegen. Wird mindestens eine der abgestrahlten Frequenzen auf die Oszillatorfrequenz bzw. Oszillatorfrequenzen der Biomoleküle abgestimmt, wird hierdurch eine höhere Selektivität erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung für die Selektion von Biomolekülen (Unteransprüche 5 und 7 bis 9) sind in 2 und 3 dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Liganden oder Rezeptoren (7) führen in 2 dazu, dass Biomoleküle (9) sich auf diese zubewegen. Befinden sich genügend Biomoleküle (9) vor den Liganden bzw. Rezeptoren, so können diese abgefischt werden. Um zu verhindern, dass die Biomoleküle an die Liganden bzw. Rezeptoren binden, kann eine sehr dünne Folie (8) eingefügt werden. Diese muss dann allerdings für Terahertz-Strahlung transparent sein.
Alternativ dazu wird in 3 eine Terahertz-Signalquelle (10) dazu eingesetzt, Biomoleküle in Bewegung zu versetzen. Die Biomoleküle, die sich vor der Teraherz-Signalquelle angesammelt haben, können dann abgefischt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

www.chemgapedia.de [0003]
Matteo Pellegrini und Sebastian Doniach, Computer Simulation of Antibody Binding Specifity, Proteins: Structure, Function, and Genetics 15: 436–444 (1993) [0004]

Claims

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaffung neuer oder Selektion von existierenden Biomolekülen, gekennzeichnet dadurch, dass es bei den geschaffenen oder selektierten Biomolekülen eine über eine Reichweite von 3 Nanometer hinaus wirkenden Langstreckeninteraktion zwischen diesen Biomoleküle und ihren Rezeptoren oder Liganden gibt, die zu einem schnelleren Ankoppeln führt, als von rein stochastischem Verhalten gemäß der Affinitätstheorie zu erwarten wäre.
Erfindung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Ankoppelkinetik zumindest in einem zeitlichen Teilbereich (3) linear ist.
Erfindung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Biomoleküle und deren Liganden bzw. Rezeptoren oszillierende Strukturen aufweisen, die elektrisch geladen sind, wobei die Oszillationsfrequenzen identisch, subharmonisch oder harmonisch zueinander sind.
Erfindung nach Anspruch 1, 2, oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass es sich bei den Biomolekülen um Proteine, IgG, IgE, IgA, IgD, IgM-Antikörper, Antigene, Peptide, Enzyme, Viren oder Bakterien handelt.
Erfindung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Biomoleküle, die sich aufgrund einer Langstreckeninteraktion auf ihre Rezeptoren bzw. Liganden zubewegen, vor dem Erreichen der Rezeptoren bzw. Liganden aufgefangen werden und auf diese Weise eine Selektion oder Aufkonzentration der Biomoleküle erfolgt.
Erfindung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass es sich um rekombinante oder synthetische Biomoleküle handelt.
Erfindung nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass eine Terahertz-Strahlungsquelle (0,1–10 THz) oder ein Schwinger einer elektrischen Ladung im Frequenzbereich (0,1–10 THz) eingesetzt wird, um Biomoleküle in Richtung der Strahlungsquelle zu bewegen.
Erfindung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Terahertz-Strahlungsquelle bzw. der Schwinger einer elektrischen Ladung nur eine oder mehrere Frequenzen besitzt.
Erfindung nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, dass dieses Verfahren dazu eingesetzt wird, Biomoleküle aufzukonzentrieren oder eine Selektion von Biomolekülen nach der Eigenschaft „Langstreckeninteraktion mit einem Rezeptor bzw. Liganden” durchgeführt wird.
Erfindung nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass ein Verfahren auf Basis der Ellipsometrie, der Reflektometrie, der Spektrometrie oder der Oberflächenplasmonenresonanz bei der Messung des Verhaltens der Biomoleküle eingesetzt wird.