Geschichten

von Evan Robinson '23

14. August 2023

Forschung und Entdeckung

Vier Studenten aus Hamilton und der außerordentliche Chemieprofessor Max Majireck haben kürzlich eine Partnerschaft mit einem in Utica ansässigen biomedizinischen Forschungsinstitut geschlossen, um sicherere und nachhaltigere Methoden zur Herstellung therapeutischer Proteine ​​zu entwickeln, die, wenn sie als Bildgebungsinstrumente eingesetzt werden, die Art und Weise, wie lebensbedrohliche Krankheiten erkannt werden, revolutionieren könnten.

Das Hamilton-Team – Kimberly Chase '24, Josef Kubofcik '24, Ryan Rahman '24 und Luke Cohen-Abeles '23 – arbeitete mit dem Masonic Medical Research Institute (MMRI) in Utica zusammen, einem produktiven Zentrum für biomedizinische Forschung, das nur wenige Minuten entfernt liegt Campus. Das neue Verfahren wurde für die Diagnose einer Herz-Kreislauf-Erkrankung namens Atherosklerose konzipiert und produziert nützliche Peptidmoleküle ohne die schädlichen Nebenprodukte anderer Synthesemethoden.

Das Hamilton-MMRI-Forschungsteam entdeckte eine Methode zur Herstellung therapeutischer Proteine ​​(FTP11-Moleküle), die „die Verwendung toxischer Verbindungen, sogenannter Oxidationsmittel, vermeidet, die im Allgemeinen für die Durchführung dieser Reaktion erforderlich sind“, sagte Max Majireck. Stattdessen kommt bei der neuen Methode ein Ultraschallgerät zum Einsatz, eine Maschine, die Partikel durch Schallwellen bewegt.

Atherosklerose gehört zu den häufigsten Todesursachen weltweit und ist die häufigste Todesursache in den USA. Sie wird durch die Ansammlung von Plaque an den Arterienwänden verursacht. Diese Ablagerungen behindern den Blutfluss und führen zu einer Verengung und Verhärtung der Arterien, was in manchen Fällen zu Blutgerinnseln, Herzinfarkten oder Schlaganfällen führen kann. Während dies häufig im Herzen auftritt, kann Arteriosklerose alle Arterien im Körper betreffen.

„Wir lösen unsere Verbindung in einer relativ kleinen Menge Lösungsmittel auf und beaufschlagen sie mit etwas Schallenergie, was unserer Meinung nach dabei hilft, Sauerstoff einzumischen, der für die chemische Reaktion wichtig ist“, erklärte Majireck.

Der Sauerstoff ist notwendig, um eine Disulfidbrücke zu bilden, ein entscheidender Schritt der Peptidsynthese. Obwohl sie keine Arteriosklerose behandeln, können FTP11-Peptide an Farbstoffe gebunden und zur Darstellung der Fibrin- und Blutplättchenablagerung in Arterien verwendet werden. Fibrinproteine ​​und Blutplättchen sind zwei der Hauptbestandteile von Blutgerinnseln. Somit sei FTP11 ein „Bildgebungstool“, das zur Diagnose von Risikopatienten eingesetzt werde, sagte Rahman.

Ein wichtiger Schritt der Reaktion ist die Cyclisierung. Laut Majireck geschieht dies ganz am Ende der Synthese, wenn die Peptide einen Ring bilden und ein Ende des Moleküls an das andere bindet. „Es ist viel komplizierter“, bemerkte er, „aber es ist fast so, als würde aus einer Schnur ein Kreis.“

Um zu wissen, wann die Zyklisierung abgeschlossen ist, verwendete das Team ein Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometriegerät (HPLC-MS), um die Zusammensetzung der Chemikalien zu messen. Sie entnahmen Aliquots oder repräsentative Proben aus ihrem Reaktionsgemisch und gaben sie in die HPLC-MS, die dann anzeigte, wie viel Prozent des Peptids zyklisiert worden waren.

Fett, Cholesterin und andere Substanzen bilden den Plaque, der für Arteriosklerose verantwortlich ist. Da die Symptome erst dann auftreten, wenn die Erkrankung sehr schwerwiegend ist, ist es am besten, proaktiv vorzugehen: Während Arteriosklerose medikamentös behandelbar ist, trägt die Aufrechterhaltung eines gesunden Lebensstils dazu bei, das Risiko einer gefährlichen Plaquebildung zu verringern.

Die erste Beobachtung, dass diese Methode möglich ist, erfolgte am MMRI. Von da an konzentrierte sich das Hamilton-Team auf die Entwicklung der FTP11-Peptide, die später für medizinische Zwecke angepasst werden konnten. „Mein Labor entwickelt neue chemische Reaktionen“, sagte Majireck. Um diese Reaktionen – in diesem Fall die Bildung von Disulfidbrücken – zu ermöglichen, waren die Studierenden hauptsächlich für die Vorbereitung der Peptidproben, den Aufbau des HPLC-MS und die Überwachung des Cyclisierungsstatus verantwortlich.

„[Die Studenten sind] zu Experten im Umgang mit einigen der notwendigen Instrumente und einigen der experimentellen Methoden geworden, die wir verwendet haben.“

Dank ihrer Beteiligung an jedem Schritt des Forschungsprozesses wurden die Studenten zu kompetenten Benutzern von Maschinen wie der HPLC-MS, die normalerweise nicht für reguläre Kursarbeiten verwendet werden. „Sie sind zu Experten im Umgang mit einigen der notwendigen Instrumente und einigen der experimentellen Methoden geworden, die wir verwendet haben“, sagte Majireck. „Vieles davon haben sie selbst gemacht.“

Chase betonte den Wert dieser Erfahrung. „Wir haben viele neue Techniken gelernt und mit Geräten gearbeitet, die anders waren als alles, was ich zuvor verwendet hatte … Ich bin wirklich dankbar, dass ich diese Gelegenheit bekommen konnte“, sagte sie.

Bestehende Atherosklerose-Behandlungen, die FTP11-Peptide verwenden, basieren möglicherweise auf Produktionsmethoden, bei denen toxische Verbindungen zum Einsatz kommen. Das neue Verfahren synthetisiert diese Moleküle effizienter und umweltfreundlicher. Einmal entwickelt, können FTP11-Proteine ​​zur Identifizierung gefährlicher Plaqueablagerungen verwendet werden.

Im Hinblick auf die Beziehung zwischen MMRI und Hamilton beschrieb Majireck, wie das Projekt „eine Zusammenarbeit gefördert hat, von der wir hoffen, dass sie längerfristig sein wird“. Während diese verbesserte Synthesemethode diesen Sommer im Zusammenhang mit Arteriosklerose entwickelt wurde, hat sie sich auch für andere Anwendungen als wirksam erwiesen, stellte Cohen-Abeles fest.

MMRI hat bereits mit der Arbeit an diesen anderen Anwendungen begonnen – Hamilton ist nicht weit dahinter. „Die beste Forschung bringt mehr Forschung hervor“, sagte Majireck. „Wenn wir herausfinden, wie wir diese Reaktion für die Peptide, an denen wir gerade arbeiten, optimieren können, werden wir wahrscheinlich an der Ausweitung auf andere Peptide arbeiten.“

Das Taylor Science Center ist das größte akademische Gebäude auf dem Campus. Es wurde für das gemeinsame Lernen von Lehrkräften und Studierenden konzipiert und verfügt über Lehrlabore für praktische Forschung.

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Forschung und Entdeckung

Hamilton-Studenten arbeiten mit Professoren an bahnbrechender Forschung zusammen. Die Zusammenarbeit zwischen Studierenden und Fakultäten führt häufig zu Artikeln, die in Fachzeitschriften veröffentlicht werden, oder zu Präsentationen auf nationalen Konferenzen.

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