proteomica

La proteomica ( inglese proteomica ) comprende la ricerca del proteoma con metodi biochimici . Il proteoma comprende la totalità di tutte le proteine ​​presenti in una cellula o in un essere vivente in condizioni definite e in un determinato momento . Contrariamente al genoma piuttosto statico , il proteoma e anche il trascrittoma sono dinamici e possono quindi cambiare nella loro composizione proteica qualitativa e quantitativa a causa delle mutate condizioni (fattori ambientali, temperatura, espressione genica, somministrazione di farmaci, ecc.). La dinamica del proteoma può essere visualizzata nell'esempio seguente. Un bruco e la farfalla che ne emerge contengono lo stesso genoma, ma differiscono ancora esternamente a causa di un diverso proteoma. Lo stesso vale per un girino e la rana che ne emerge. I cambiamenti nel proteoma a volte possono avvenire molto rapidamente, ad esempio attraverso modificazioni post-traduzionali come la fosforilazione e la defosforilazione di proteine, che svolgono un ruolo molto importante nella trasduzione del segnale .

La proteomica cerca di catalogare tutte le proteine ​​dell'organismo e di decifrarne le funzioni. I progetti per le proteine possono essere trovati nel corredo genetico. Se il DNA del materiale genetico immagazzina solo informazioni, le molecole proteiche costituite da amminoacidi assolvono a molti compiti. Sono la sostanza fondamentale della vita e difendono z. B. come anticorpi da malattie, e come enzimi, tra l'altro , abilitano il metabolismo e assicurano il movimento con lo scheletro, i tendini e i muscoli.

etimologia

La parola proteoma deriva dal ricercatore australiano Marc Wilkins ed è stata citata per la prima volta su una diapositiva nella sua conferenza al congresso Elettroforesi 2D: dalle mappe proteiche ai genomi , il 5 settembre 1994 a Siena . La dicitura sulla diapositiva diceva : “ Proteoma: il complemento di PROTEine espresso da un genoma, cellula o tessuto. "(Tedesco:" Proteoma: il complemento di PROTEina che è espresso dal genoma di una cellula o di un tessuto "). Il congresso si svolge ancora ogni due anni (a partire dal 2012) sotto la direzione di Luca Bini ed è stato chiamato sin dalla famosa diapositiva di Marc Wilkins: From Genome to Proteome .

Focus di ricerca HUPO e DGPF

Simile alla Human Genome Organization (HUGO), i ricercatori dell'International Human Proteome Organization (HUPO) condividono il lavoro che nasce in tutto il mondo. La Germania si sta concentrando sulla ricerca sulle proteine ​​cerebrali. In Germania, dal 2001, importanti scienziati di proteine ​​e proteomica hanno anche unito le forze nella Società tedesca per la ricerca sul proteoma (DGPF) al fine di sfruttare in modo ottimale le capacità di ricerca.

Sotto-aree

Aree essenziali sono la delucidazione delle interazioni proteina-proteina , che dipendono principalmente dalle strutture terziarie e quaternarie delle proteine ​​e dalle interazioni tra i loro domini . Purificazione di proteine e l'analisi quantitativa di espressione della proteina appartengono al campo della proteomica. In questo modo integra i dati ottenuti nell'analisi dell'espressione genica e fornisce informazioni sui componenti delle vie metaboliche e dei circuiti di controllo molecolare. L' ingegneria delle proteine consente la modifica delle funzioni delle proteine ​​ricombinanti per adattarne le proprietà.

Le tecniche chiave della proteomica supportano quindi la delucidazione della funzione e della struttura proteica 3-D e l'identificazione delle singole proteine ​​nelle miscele.

Poiché tutti i processi metabolici sono svolti dalle proteine, su di esse si basano approcci terapeutici come nuovi principi attivi contro il cancro , le infezioni e alcune malattie nervose. Disturbi come l'anemia falciforme , malattia di Alzheimer , Huntington malattia s' o malattia di Creutzfeldt-Jakob si basano su in modo non corretto formato e le proteine aggregazione. Se si sa quale proteina è responsabile di un malfunzionamento, è possibile sviluppare specificamente una piccola molecola che si aggancia a questa proteina e previene ulteriori malfunzionamenti. Nell'industria, le proteine ​​ricombinanti vengono utilizzate sotto forma di enzimi detergenti e pesticidi biologici. I biologi sperano di ottenere informazioni migliori su come funzionano gli esseri viventi e sulla vita in quanto tale. I biofisici si aspettano una “ anatomia molecolare ”.

Biologia dei sistemi

La biologia dei sistemi è una nuova area di ricerca che si basa sulla proteomica . Questo non prova più da solo le singole parti z. B. di considerare una cellula, ma cerca di descrivere l'interazione di tutte le singole parti all'interno di un sistema e del suo ambiente. Oltre alla proteomica v. un. modelli matematici che simulano il sistema in silico (cioè nei modelli informatici).

Paleoproteomica

Oltre al "vecchio" DNA , le proteine ​​fossili possono occasionalmente essere isolate dalle ossa fossili . B. consentono di trarre conclusioni sulla loro appartenenza a una determinata specie biologica . La paleoproteomica basata su questo (dal greco παλαιός palaiós , “vecchio”) beneficia in particolare del fatto che alcune proteine ​​sono più stabili del DNA per un periodo di tempo più lungo . Nel 2016, il gruppo di lavoro di Jean-Jacques Hublin del Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology è stato in grado di utilizzare campioni di collagene di circa 40.000 anni per chiarire che la cultura archeologica di Châtelperronia è associata ai Neanderthal e non agli umani anatomicamente moderni ( Homo sapiens ). Nel 2019, le proteine ​​fossili della dentina della mascella inferiore di Xiahe , scoperte nella grotta di Baishiya negli altopiani del Tibet, hanno dimostrato che appartiene al popolo Denisova e, pochi mesi dopo, campioni di dentina di 1,9 milioni di anni hanno confermato che il il genere Gigantopithecus è un taxon "sorella" estinto degli oranghi . Già nel 2015, le analisi del collagene hanno rivelato una più stretta relazione tra gli " ungulati sudamericani " e gli ungulati dispari ; Macrauchenia e Toxodon , che si verificavano ancora nel tardo Pleistocene, sono stati esaminati per nome . In precedenza, l'esatta relazione tra gli "ungulati sudamericani" e altri gruppi di ungulati non era chiara ed era oggetto di dibattito scientifico. Per il rappresentante del rinoceronte estinto Stephanorhinus , c'era una relazione più stretta con il rinoceronte lanoso e quindi con una cerchia più stretta di parenti intorno all'odierno rinoceronte di Sumatra basato su circa 200.000 a 400.000 o 1,8 milioni di anni di proteomi . La posizione poteva essere provata anche da studi genetici ed era stata precedentemente accettata per ragioni anatomiche. Sempre nel 2019, gli studi sulle proteine ​​hanno contribuito alla riorganizzazione sistematica dei bradipi fossili e contemporanei .

Nel 2015, ad esempio, uno studio sulle ossa di 80 milioni di anni di Brachylophosaurus canadensis , che appartiene al gruppo dei dinosauri dal becco d'anatra , ha ricevuto l'attenzione dei media di tutto il mondo , in cui sono stati rilevati peptidi che - a causa della loro somiglianza con peptidi delle galline e degli struzzi di oggi - sono stati interpretati come resti di vasi sanguigni.

Problemi e tendenze

Dopo alcune esperienze deludenti con metodi genetici come l' analisi dei microarray , alcuni scienziati sono anche alquanto scettici sulla ricerca sul proteoma. Friedrich Lottspeich dal Max Planck Institute di Biochimica di Martinsried , Presidente della Società tedesca di Proteome Research (DGPF), mette in guardia contro le speranze eccessive:

La complessità deriva dalle molte possibilità: secondo Friedrich Lottspeich, gli esseri umani hanno una stima da diverse centinaia di migliaia a milioni di proteine ​​diverse. Un singolo gene produce in media da cinque a dieci proteine, in alcuni casi diverse centinaia. Cogliere appieno questa complessità è una sfida che i metodi attuali non sono ancora in grado di affrontare. D'altra parte, la ricerca sul proteoma si sta sviluppando rapidamente. Ciò è dovuto in particolare ad un costante miglioramento degli spettrometri di massa , che stanno diventando sempre più precisi, sensibili e veloci.

Un altro passo importante è lo sviluppo di metodi quantitativi, come i processi SILAC , iTRAQ , TMT o ICAT basati sull'uso di isotopi stabili o la codifica dei metalli MeCAT , in cui vengono utilizzati metalli di diverso peso per contrassegnare proteine ​​​​e peptidi da diverse proteine campioni. Quest'ultimo consente l'uso a livello di proteoma della spettrometria di massa elementare ultrasensibile ( ICP-MS ) (limite di rilevamento nell'intervallo da ppt a ppq inferiore) per la prima volta nell'approccio multiplex , che consente un valore da 2 a 5 ordini di grandezza superiore sensibilità nella quantificazione delle proteine ​​e un intervallo di misurazione dinamico lineare di almeno 6-8 ordini di grandezza aventi. A differenza degli altri metodi, che quantificano "solo" relativamente a livello di peptide, MeCAT consente vantaggiosamente una quantificazione relativa e persino assoluta a livello di proteine, per cui specie proteiche come le proteine ​​modificate post-traduzionali sono più accessibili alla quantificazione. La calibrazione dell'ICP-MS viene eseguita con standard metallici non dipendenti da proteine/peptidi . Non sono quindi necessari peptidi standard proteici specifici.

Se si combina l'analisi quantitativa del proteoma con altri metodi biologici, si possono anche fare affermazioni sulla funzione delle proteine ​​(ad es. interazione proteina-proteina o modificazioni post-traduzionali ). La moderna ricerca sul proteoma va quindi ben oltre la semplice catalogazione delle proteine ​​e cerca di comprendere meccanismi complessi.

Guarda anche

• -omici
• Bioinformatica
• UniProt

letteratura

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link internet

• Proteomica - imparare a capire le proteine - rivista scinexx knowledge - 16 maggio 2003
• Proteomica: Attraverso la boscaglia ( Memento del 3 agosto 2014 in Internet Archive ) (PDF; 381 kB)
• Organizzazione delle proteine ​​umane
• Società tedesca per la ricerca sul proteoma

Evidenze individuali

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