Niniejszy protokół opisuje metodę o średniej i wysokiej przepustowości do przesiewania bibliotek fragmentów z wykorzystaniem powszechnie stosowanej robotyki i instrumentów pomiarowych. Przesiewania, takie jak opisane w tym protokole, mogą być rutynowo przeprowadzane przez NKI Protein Facility w Amsterdamie, na przykład w ramach usługi iNEXT-Discovery, często nawet bezpłatnie dla użytkowników po złożeniu wniosku i recenzji. W takich przypadkach placówka może zapewnić bibliotekę DSi-Poised, jednak możliwość wykorzystania innych bibliotek może być również omawiana w kontekście każdego indywidualnego zastosowania użytkownika i umowy serwisowej. Wybór instrumentów w niniejszym protokole stanowi praktyczne rozwiązanie dla wielu laboratoriów, lecz nie powinien być traktowany jako złoty standard. Do pomiaru stabilności termicznej białka docelowego w przesiewaniu fragmentów zaleca się stosowanie metod bezznakowych, zamiast metod wykorzystujących wrażliwe na środowisko znaczniki do wykrywania rozfałdowania w termocyklerze do reakcji polimerazy łańcuchowej z odwrotną transkrypcją.
Metody bez znakowania, takie jak zaprezentowana tutaj z wykorzystaniem instrumentu Prometheus, mają pewne zalety: wymagają niewielkich ilości białka, często o kilka rzędów wielkości mniejszych; umożliwiają jednoczesny pomiar rozpraszania próbki, a tym samym agregacji; ponadto znaczniki stosowane do wykrywania rozfałdowania w innych podejściach mogą różnie oddziaływać z każdym fragmentem, co prowadzi do powstawania artefaktów pomiarowych. Niniejszy protokół został opisany w kontekście robota Mosquito, który umożliwia pipetowanie bardzo małych objętości próbki (0.3 µL), co nie jest możliwe do wykonania ręcznie. Mosquito jest popularnym robotem, dostępnym w wielu laboratoriach zajmujących się biologią strukturalną oraz projektami odkrywania leków; jednak protokół ten może być oczywiście realizowany z wykorzystaniem alternatywnych metod pipetowania małych objętości.
Biblioteki fragmentów zawierają związki rozpuszczone w DMSO. Jednym z początkowych wyzwań jest znalezienie optymalnego stężenia DMSO, przy którym białko pozostaje stabilne, a związki pozostają rozpuszczalne. Wymaga to przeprowadzenia pomiarów przy różnych stężeniach DMSO w celu określenia optymalnych warunków przesiewania. Zastosowane tutaj rozcieńczenie białka w stosunku do fragmentu skutkuje stężeniem DMSO na poziomie 0,2%; większość białek jest w tych warunkach dość stabilna. Ilość białka wymagana do przeprowadzenia przesiewania biblioteki 768 związków wynosi łącznie ~2-3 mg, ponieważ pomiary są zazwyczaj wykonywane przy niskich stężeniach białka (0,2 mg mL-1). Praca z tak relatywnie niskimi stężeniami białka nie tylko obniża koszty jego produkcji, ale także zmniejsza prawdopodobieństwo precypitacji białka. Niskie stężenie białka nie wpływa na detekcję wiązania fragmentów, ponieważ stężenie fragmentów w eksperymencie wynosi ~2 mM, co pozwala na zidentyfikowanie również słabych ligandów.
Ponieważ detekcja przejścia topnienia w tych eksperymentach opiera się na intensywności fluorescencji, kluczowym aspektem jest określenie mocy wzbudzenia lasera, przy której należy przeprowadzić pomiary. Oddziaływanie związków z białkiem może (i) nie mieć wpływu na jego fluorescencję wewnętrzną, (ii) prowadzić do wygaszania lub (iii) zwiększać jego fluorescencję wewnętrzną. Ponadto praca z niskimi stężeniami białka sprawia, że liczba zliczeń fluorescencji dla natywnego białka byłaby niska. Moc wzbudzenia musi zatem zostać dostosowana w taki sposób, aby możliwe było zmierzenie większości próbek. Profil rozpraszania z każdego pomiaru dostarcza istotnych informacji o efektach agregacji, które mogą zostać wywołane przez dodanie dowolnego fragmentu. Ponadto na profilu rozpraszania można zaobserwować wpływ temperatury na rozpuszczalność związku.
Nieoczekiwanie, w przypadku wielu związków zaobserwowano, że rozproszenie w rzeczywistości zmniejszało się wraz ze wzrostem temperatury (Rysunek 6). Dlatego ważne jest przeanalizowanie zarówno krzywej przejścia topnienia, jak i towarzyszącego jej profilu rozproszenia, aby ocenić wiarygodność każdego eksperymentu, szczególnie w odniesieniu do tych fragmentów, które są uważane za kandydatów do bardziej wymagających pomiarów metodą krystalografii rentgenowskiej lub spektroskopii NMR, bądź nawet uznawane za trafienia (hits) do dalszych badań chemicznych. Jednym z konkretnych ograniczeń tej metody w celach screeningu fragmentów jest fakt, że wiele fragmentów w bibliotece DSi-Poised wykazuje znaczącą fluorescencję wewnętrzną, czasami przekraczającą nawet limit nasycenia detektora, przez co nie mogą one być prawidłowo badane pod kątem wiązania z celem, nawet przy niskiej mocy wzbudzenia. Kolejną kwestią wartą odnotowania w przypadku tej metody jest to, że można ją stosować wyłącznie w odniesieniu do białek zawierających reszty tryptofanu.

Rycina 6: Wpływ temperatury na rozpuszczalność związku. Krzywa przejścia topnienia i profil rozpraszania Hec1 z dwoma różnymi związkami. (A) Profil rozpraszania pokazuje, że w przypadku tej próbki rozpuszczalność nie jest zależna od temperatury. (B) Profil rozpraszania pokazuje, że rozpuszczalność tej próbki zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury. Krzywa przejścia topnienia w tym przypadku nie jest zatem wiarygodna. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Otwartym pytaniem pozostaje kwestia tego, co należy uznać za istotną zmianę Tm, nie z perspektywy matematycznej, lecz z punktu widzenia praktycznego: jaka zmiana Tm jest na tyle ważna, aby uznać ją za wskaźnik wiązania liganda z białkiem? W tych przykładach przesunięcia mniejsze niż 1 °C zaobserwowano dla 74% fragmentów wiążących Hec1, 66% dla Mps1 oraz 53% dla Nsp5. Przyjęcie wartości 1 °C jako „istotnej zmiany” prawdopodobnie nie dostarczyłoby trafień wartych dalszego opracowania chemicznego. Na wykresach zbiorczych (Rysunek 5) uwzględniono przedziały przesunięcia Tm wynoszące 1, 2, 5 lub więcej niż 5 stopni, zarówno w kierunku dodatnim, jak i ujemnym. Wymaga to modyfikacji w zależności od konkretnego przypadku, aby uzyskać przejrzysty obraz i umożliwić podejmowanie świadomych decyzji dotyczących kolejnych kroków. Co istotne, w przypadku niektórych białek zaobserwowano zarówno stabilizację, jak i destabilizację celu, w zależności od rozważanych fragmentów. Oba zjawiska są interesujące, ponieważ oba mogą być wynikiem wiązania fragmentu i oba mogą prowadzić do otrzymania odpowiedniej cząsteczki w kolejnych etapach w celu manipulacji zachowaniem białka.
Pozostaje ostatnie pytanie: „co definiuje użyteczny hit?”. W rzeczywistości odpowiedź zależy od konkretnej sytuacji. Na przykład w przypadku Hec1 wszystkie fragmenty, które stabilizowały białko o ponad 2 stopnie lub destabilizowały je o ponad 5, zostały przekazane naszym współpracownikom chemikom, którzy zaprojektowali nowe cząsteczki na podstawie tych hitów. W przypadku Nsp5 natomiast hity najsilniej destabilizujące przekazano współpracownikom zajmującym się NMR w celu potwierdzenia hitów uzyskanych metodą nanoDSF za pomocą eksperymentów NMR. Innymi słowy, wyniki przesiewania uzyskane za pomocą tego protokołu należy analizować z ostrożnością i w zależności od kontekstu, podejmując świadome decyzje w oparciu o konkretne pytanie badawcze i zastosowaną metodologię. W każdym przypadku opisana tutaj metoda stanowi podejście komplementarne do istniejących metod, takich jak przesiewanie oparte na krystalografii rentgenowskiej i NMR, które mogą służyć do potwierdzania, priorytetyzacji lub generowania nowych pomysłów dla kampanii chemicznych.
Tabela uzupełniająca S1: Lista buforów wykorzystanych do skriningu białek.Skróty: HEPES = kwas 4-(2-hydroksyetylo)-1-piperazynoetanosulfonowy; DTT = ditiotreitol; MOBS = kwas 4-(N-morfolino)butanosulfonowy. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Tabela uzupełniająca S2: Właściwości płytki MRC z 2 studniami do zastosowania z robotem nanodozownikiem. Proszę kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Tabela uzupełniająca S3: Właściwości płytki 96-dołkowej z dnem w kształcie litery V do użytku z robotem nanodyspenserem. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Tabela uzupełniająca S4: Bufor, stężenie białek i Tm białek omówionych w reprezentatywnych wynikach. Skróty: DTT = ditiotreitol; Hec1 = białko Highly Expressed in Cancer 1; Mps1 = kinaza wrzeciona monopolarnego 1; Nsp5 = proteaza 3C-podobna SARS-CoV-2. Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Plik uzupełniający 1: Parametry przeglądowe-przykładowe dane. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 2: wartości Tm i ΔTm dla 406 fragmentów – dane przykładowe. Aby pobrać ten plik, kliknij tutaj.