Кіріспе

Протеин микромассиві (немесе протеин чипі) – протеиндердің өзара әрекеттесуі мен белсенділігін қадағалау, олардың функциясын анықтау және ірі масштабта функцияларын зерттеу үшін қолданылатын жоғары өнімділік әдісі. Оның басты артықшылығы – көптеген протеиндерді параллель түрде қадағалау мүмкіндігі. Чип шыны слайд, нитроцеллюлоза мембранасы, гранула немесе микротитр пластинасы сияқты тіреу бетінен тұрады, оған протеин тұтқындағыштардың массиві бекітіледі. Әдетте флуоресцентті бояумен белгіленген зонд молекулалары массивке қосылады. Зонд пен бекітілген протеин арасындағы кез келген реакция лазерлік сканермен оқылған флуоресценттік сигналды шығарады. Протеин микромассивтері жылдам, автоматтандырылған, экономикалық және жоғары сезімтал, үлкен мөлшерде сынамалар мен реагенттерді қажет етпейді. Протеин микромассивтерінің түсінігі мен әдістемесі алғаш рет 1983 жылы ғылыми жарияланымдар мен патенттер сериясында антидене микромассивтері (антидене матрицасы деп те аталады) арқылы ұсынылды және көрсетілді. Протеин микромассивтерінің жоғары өнімділік технологиясын дамыту салыстырмалы түрде оңай болды, себебі ол ең көп қолданылатын микромассивтерге айналған ДНК микромассивтері үшін әзірленген технологияға негізделген.

Дамуға ынталандыру

Протеиндік микроаррейлер протеомикада ген экспрессиясы деңгейін анықтау үшін ДНК микроаррейлерін қолданудың шектеулеріне байланысты әзірленді. Жасушадағы мРНК мөлшері көбінесе оған сәйкес келетін ақуыздардың экспрессия деңгейін шағылыстырмайды. Жасушаның жауап реакциясындағы функциялық рөлді әдетте ақуыз атқаратындықтан, жаңа тәсіл қажет болды. Бұған қоса, ақуыз функциясын анықтау үшін маңызды болатын трансляциядан кейінгі модификациялар ДНК микроаррейлерінде көрінбейді. Протеиндік микроаррейлер 2D гельдік электрофорез немесе хроматография сияқты дәстүрлі протеомика әдістерін ығыстырады, олар көп уақыт пен еңбек талап ететін және аз мөлшердегі ақуыздарды талдауға қолайсыз болған.

Массивті құру

Белоктар микроскоптық слайдтар, мембраналар, моншақтар немесе микротитрлік пластиналар сияқты қатты бетке орналастырылады. Бұл беттің функциясы – белоктарды қозғалмайтын тіреумен қамтамасыз ету. Ол белоктың табиғи конформациясын сақтай отырып, максималды байланысу қасиеттерін көрсетуі керек, осылайша оның байланысу қабілеті сақталады. Шыны немесе кремнийден жасалған микроскоптық слайдтар жиі қолданылады, себебі олар ДНК микромассивтері технологиясы үшін жасалған, оңай қолжетімді роботтық массивтеушілермен және лазерлік сканерлермен үйлесімді. Нитроцеллюлозалық пленкалық слайдтар протеин микромассивтері үшін ең жоғары байланысуға бейім субстрат ретінде кеңінен қабылданады. Таңдалған қатты бет ақуызды тұрақтандыру, оның денатурациясын болдырмау, оны тиісті бағытта бағыттап, байланысу орындарына қолжетімді ету және байланысу реакциясы жүзеге асырылатын гидрофильді ортаны қамтамасыз ету функцияларын атқаратын қаптамамен жабылады. Бұған қоса, ол анықтау жүйелеріндегі фондық шуды азайту үшін ерекше емес байланыстың минималды деңгейін көрсетуі керек. Сонымен қатар, ол әртүрлі анықтау жүйелерімен үйлесімді болуы тиіс. Тұрақтандырушы агенттерге алюминий немесе алтын қабаттары, гидрофильді полимерлер, полиакриламид гельдері немесе аминдермен, альдегидпен немесе эпоксидпен өңдеу жатады. Қабықтың қолдау бетіне жағылуы үшін физикалық буландыру (PVD) және химиялық буландыру (CVD) сияқты қабық жасау технологиялары қолданылады. Массивтің өндірісі мен жұмыс істеуінің барлық кезеңдерінде белоктың денатурациясын болдырмау үшін сулы орта қажет. Сондықтан, үлгі буферлерінде глицериннің жоғары концентрациясы болады (қату температурасын төмендету үшін), ал өндіріс ортасының ылғалдылығы мұқият реттеледі. Микроойыстар сулы ортаны қамтамасыз етудің және үлгілер арасындағы қиылысқан ластануды болдырмаудың екі есе пайдасын береді. Көптеген протеин массивтерінде роботтар белгілі бір үлгіде жабынған қатты тіреуге көптеген белоктарды немесе олардың лигандтарын орналастырады. Бұл роботтық контактты басу немесе роботтық тамшылату деп аталады. Басқа бір өндіріс әдісі – сияны шашырату, талап бойынша тамшылату, белок полимерлерін қатты бетке қажетті үлгіде таратудың контактсыз әдісі. Пьезоэлектрлік тамшылату – сияны шашыратуға ұқсас әдіс. Басу басы массив бойымен қозғалады және әр нүктеде белок молекулаларын майда саптамалар арқылы бетке жеткізу үшін электрлік стимуляция қолданылады. Бұл да контактсыз процесс. Фотолитография – белоктарды бетке орналастырудың төртінші әдісі. Жарық фотомаскалармен қолданылады, бұл мөлдір емес тақталар, олардағы тесіктер немесе мөлдір бөліктер арқылы жарық белгілі бір үлгіде өтеді. Содан кейін химиялық өңдеулер сериясы фотомасканың астындағы материалға белоктың қажетті үлгіде орналасуына мүмкіндік береді. Қатты бетке орналастырылған тұтқындау молекулалары антиденелер, антигендер, аптамерлер (нуклеин қышқылы негізіндегі лигандтар), аффибодилер (моноклоналды антиденелерді имитациялайтын шағын молекулалар) немесе толық ұзындықтағы белоктар болуы мүмкін. Мұндай белоктардың көздері рекомбинантты белоктарды экспрессиялаудың жасушалық жүйелері, табиғи көздерден тазарту, жасушасыз трансляция жүйелерімен in vitro өндірісі және пептидтер үшін синтетикалық әдістер болып табылады. Бұл әдістердің көптеген түрлерін жоғары өнімді өндіріс үшін автоматтандыруға болады, бірақ синтез немесе экстракция жағдайларына назар аудару қажет, нәтижесінде денатурацияланған белок пайда болады, ол байланысу серігін тани алмайтындықтан, массивті пайдасыз етеді. Белоктар микроортадағы өзгерістерге өте сезімтал. Бұл протеин массивтерін ұзақ уақыт бойы тұрақты күйде ұстауға қатысты қиындық тудырады. 2001 жылы Мингюэ Хэ және Майкл Тауссиг ойлап тапқан және жариялаған in situ әдістері қажет болған кезде ДНК-дан жасушасыз белок экспрессиясы жүйелерін пайдалана отырып, белоктарды тікелей синтездеуді қамтиды. ДНК – өте тұрақты молекула болғандықтан, ол уақыт өте келе бүлінбейді және ұзақ мерзімді сақтауға жарамды. Бұл тәсіл сонымен қатар, белоктарды тазарту және ДНК-ны клондаудың еңбекті және қымбат процестерін болдырмайды, себебі белоктар бір мезгілде жасалып, чиптің бетінде тұрақтандырылады. In situ техникаларының мысалдары: PISA (белоктерді in situ массивте), NAPPA (нуклеин қышқылымен бағдарламаланатын белок массиві) және DAPA (ДНК массивінен белок массивіне).

Массивтердің түрлері

Қазіргі уақытта ақуыздардың биохимиялық белсенділігін зерттеу үшін қолданылатын ақуыз микроаррелерінің үш түрі бар. Аналитикалық микроаррельдер түсіру массивтері деп те аталады. Бұл әдісте антиденелер, аптамандар немесе аффибодилер кітапханасы тірек бетіне орналастырылады. Олар тұтқын молекулалары ретінде қолданылады, себебі олардың әрқайсысы нақты бір ақуызға ғана ерекше байланысады. Массивті жасуша лизаты сияқты күрделі ақуыз ерітіндісімен сынап көрсетеді. Әртүрлі анықтау жүйелерін пайдалана отырып, нәтижедегі байланыс реакцияларын талдау үлгідегі белгілі бір ақуыздардың экспрессия деңгейлері туралы, сондай-ақ байланыс туыстығы мен ерекшеліктері туралы ақпарат бере алады. Бұл микроаррельдер түрі әртүрлі ерітінділердегі ақуыз экспрессиясын салыстыру үшін өте пайдалы. Мысалы, жасушалардың белгілі бір факторға жауабын белгілі бір заттармен өңделген немесе белгілі бір жағдайларда өсірілген жасушалардың лизаттарын бақылау жасушаларының лизаттарымен салыстыру арқылы анықтауға болады. Тағы бір қолданылуы – аурулы тіндерді анықтау және олардың сипаттамасын жасау. Кері фазалық ақуыз микромассиві (RPPA) тіндердің лизаттары сияқты күрделі үлгілерді қамтиды. Жасушалар қызығушылық тудыратын әртүрлі тіндерден бөлініп, лизденіп алынады. Лизат микромассивке орналастырылады және мақсатты ақуызға қарсы антиденелермен сынап көрсетеді. Бұл антиденелер әдетте химилюминесценттік, флуоресценттік немесе колориметриялық талдаулар арқылы анықталады. Үлгі лизаттарының ақуыздық мөлшерін анықтау үшін сілтеме пептидтері слайдтарға басылады. RPPA өзгерген ақуыздардың немесе аурудың нәтижесі болуы мүмкін басқа факторлардың болуын анықтауға мүмкіндік береді. Атап айтқанда, аурудың нәтижесінде әдетте өзгеретін трансляциялық модификацияларды RPPA қолдану арқылы анықтауға болады.

Функционалдық ақуыз микромассивтері

Функционалдық белок микромассивтері (немесе мақсатты белок массивтері) тазартылған көптеген белоктарды бекіту арқылы құрастырылады және белок-белок, белок-ДНК, белок-РНҚ, белок-фосфолипид және белок-кішкентай молекула өзара әрекеттесулерін анықтау, ферменттік белсенділікті бағалау, сондай-ақ антиденелерді анықтау және олардың спецификалық еместігін көрсету үшін қолданылады. Олар аналитикалық массивтерден толық ұзындығындағы функционалдық белоктар немесе белок домендерін қамтитын массивтерден тұрады. Бұл белок чиптері бір экспериментте бүкіл протеомның биохимиялық белсенділігін зерттеу үшін пайдаланылады. Кез келген функционалдық белок микромассивіне негізделген талдаудың негізгі элементі – массивтелген белоктар өзінің табиғи құрылымын сақтап қалуы керек, осылайша массив бетінде мағыналы функционалдық өзара әрекеттесулер жүзеге асуы мүмкін. Тиісті аффинитет белгісін пайдалану арқылы бетке бекітілудің нақты режимін басқарудың артықшылығы – бекітілген белоктардың біртекті бағыты болады, нәтижесінде жоғары спецификалық белсенділік және жоғары сигнал-шу қатынасы, сондай-ақ ерекше емес өзара әрекеттесулерден туындайтын кедергілер азаяды.

Анықтау

Белок массивін анықтау әдістері жоғары сигнал және төмен фонды қамтамасыз етуі керек. Анықтаудың ең көп тараған және кеңінен қолданылатын әдісі – флуоресценттік таңбалау, ол өте сезімтал, қауіпсіз және қолжетімді микромассивтік лазерлік сканерлермен үйлесімді. Аффинитеттік, фотохимиялық немесе радиоизотоптық таңбалар сияқты басқа таңбаларды да қолдануға болады. Бұл таңбалар зондтың өзіне бекітіледі және зондтың мақсатты белокпен реакциясына кедергі келтіруі мүмкін. Сондықтан, беттік плазмалық резонанс (SPR), көміртек нанотүтікшелер, көміртек наножіп сенсорлары (мұнда анықтау өткізгіштіктің өзгеруі арқылы жүзеге асырылады) және микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS) қанаттары сияқты таңбасыз анықтау әдістері қолжетімді. Бұл таңбасыз анықтау әдістерінің барлығы салыстырмалы түрде жаңа және әзірге жоғары өнімділіктегі белок өзара әрекеттесуін анықтауға толыққанды жарамды емес; алайда, олар болашақта үлкен мүмкіндіктер береді. Тиол-ен "синтетикалық қағаз" микробағаналық қаңқаларындағы иммуносараптамалар жоғары флуоресценция сигналын тудырады. Нитроцеллюлозамен жабылған шыны слайдтарындағы белок мөлшерін анықтау үшін жақын инфрақызыл флуоресценттік анықтауды пайдалануға болады. Бұл стандартты флуоресценттік детекторларда қолданылатын ультракүлгін толқын ұзындықтарында нитроцеллюлозаның автофлуоресценциясынан туындайтын кедергілерді азайтады.

Қолданбалар

Белсенді массивтер қолданылатын бес негізгі сала бар: диагностика, протеомика, белоктың функционалдық талдауы, антиденелерді сипаттау және емдеуді дамыту. Диагностика қан үлгілеріндегі антигендер мен антиденелерді анықтауды; жаңа ауру биомаркерлерін табу үшін сарысуларды профильдеуді; дербес медицинадағы аурудың күйін және терапияға жауапты бақылауды; қоршаған орта мен тағамды бақылауды қамтиды. Диагностикалық мақсаттарда ақуыз микромассивін қолданудың мысалы – цифрлық биоәсерлеу. Бұл технологияда шыны/полимерлік чиптегі микроойыстар массиві магниттік бөлшектермен (флуоресцентті белгіленген антиденелермен қапталған), мақсатты антигендерге ұшыратылады, содан кейін флуоресцентті ойыстарды санау арқылы микроскоппен сипатталады. Жақында осындай микроойысты массивтер үшін тиімді өндірістік платформа (OSTE полимерлерін пайдалана отырып) көрсетілді және биоәсерлеу моделінің жүйесі сәтті сипатталды. Протеомика – белгілі бір жасушаның лизатында қандай ақуыздар экспрессияланатынын, яғни белок экспрессиясын профильдеуге қатысты. Белоктың функционалдық талдауы – белок-белок өзара әрекеттестіктерін (мысалы, белок кешенінің мүшелерін анықтау), белок-фосфолипид өзара әрекеттестіктерін, кішкентай молекулалардың нысаналарын, ферменттік субстраттарды (әсіресе киназалардың субстраттарын) және рецептор лигандтерін анықтау. Антиденелерді сипаттау – кросс-реактивтілікті, спецификтілікті және эпитоптарды карталауды сипаттау. Емдеуді дамыту – аутоиммундық, қатерлі ісік және аллергияға қарсы антигендік терапияны әзірлеуді; жаңа дәрі ретінде қолданылуы мүмкін кішкентай молекулалық нысаналарды анықтауды қамтиды.

Қиындықтар

Бірнеше компаниялар айтарлықтай инвестиция салғанмен, ақуыздық чиптер әлі нарыққа толып кірген жоқ. Өндірушілер ақуыздарды өңдеудің өте қиын екенін анықтады. Дұрыс бүгілген және функционалды, сенімді, тұрақты, жоғары өнімді ақуыздарды өндіру қиындықтарға толы, себебі олар төмендеген ерігіштікке және инклюзиялық денелердің пайда болуына байланысты ақуыздың төмен өнімділігіне әкеледі. Ақуыздық чипті жасау үшін ДНК чипіне қарағанда көбірек қадамдар қажет. Бұл мәселеге қатысты бірнеше тәсіл бар, олар негізінен ақуыздардың белгісіз, нашар анықталған өзара әрекеттесулер арқылы немесе белгілі өзара әрекеттесулер жиынтығы арқылы бекітілуіне байланысты өзгешеленеді. Бірінші тәсіл қарапайымдылығымен тартымды және табиғи немесе рекомбинантты көздерден алынған тазартылған ақуыздармен үйлесімді, бірақ бірқатар тәуекелдерге ұшырайды. Олардың ең маңыздысы – әрбір ақуыз бен беткей арасындағы өзара әрекеттесудің бақыланбауына байланысты; ең жақсы жағдайда бұл белсенді орталықтары беткеймен жабылатын гетерогенді ақуыз популяциясын тудыруы мүмкін; ең нашар жағдайда, бекітілген ақуыздың жартылай немесе толық беткейлік араласуынан белсенділігі толығымен жойылуы мүмкін. Төмендегі мәселелер бар: 1) ақуыздардың екінші немесе үшінші құрылымын, соның ішінде биологиялық белсенділігін және басқа молекулалармен өзара әрекеттесуін сақтауға мүмкіндік беретін беткейді және бекіту әдісін табу, 2) чиптегі ақуыздардың қысқа мерзім ішінде денатурацияланбауы үшін ұзақ сақталу мерзіміне ие массив жасау, 3) адам геноміндегі әрбір ақуызға қарсы антиденелерді немесе басқа да тұтқын молекулаларын анықтау және бөліп алу, 4) сезімталдықты қамтамасыз ете отырып, фондық шуды болдырмау арқылы байланысқан ақуыздың деңгейін сандық анықтау, 5) одан әрі талдау үшін чиптен анықталған ақуызды алу, 6) тұтқын арқылы ерекше емес байланысты азайту, 7) чиптің сыйымдылығы протеомды мүмкіндігінше толық көруге жеткілікті болуы керек; көп мөлшердегі ақуыздар, әдетте терапиялық тұрғыдан қызығушылық тудыратын сигнал молекулалары және рецепторлар сияқты, аз мөлшердегі ақуыздарды анықтауды қиындатады.