Edinburgh Protein Production Facility EPPF Fallstudien

Dr. Martin Wear ist Manager der EPPF und zudem Senior Lecturer in Biochemie an der School of Biological Sciences der Universität Edinburgh.

„Die Edinburgh Protein Production Facility ist ein ‘Forschungshotel’,“ bemerkte er. „Die Forscher, die sie nutzen, buchen Zeit und Platz auf unserer Ausrüstung und haben bei Bedarf Zugang zu unserem Fachpersonal. Wir haben die EPPF entwickelt, um alle notwendigen Einrichtungen für die Protein-Forschung an einem Ort bereitzustellen. Wir bilden Studenten, Postdoktoranden, Principal Investigators (PIs) aus: von High-School-Praktikanten bis hin zu etablierten Forschern. Während wir ausbilden, ermutigen wir sie, viel der Arbeit selbst zu erledigen.“

 

Wurzeln in der Molekularbiologie

Die Idee und das Framework hinter der EPPF stammen aus der Entwicklung analytischer Methoden zur Produktion, Reinigung, Untersuchung und Analyse von Proteinen und Proteinligandenkomplexen, durchgeführt von Professor Walkinshaw und Dr. Wear. Diese Arbeit bildete die Grundlage für eine große Menge an Forschung im Bereich der molekularen Erkennung, des Wirkstoffdesigns und der Proteinproduktion. Die Hauptinvestoren der EPPF und der Forschungsprojekte waren die Universität Edinburgh und der Wellcome Trust. Das aktuelle Kernteam besteht aus fünf erfahrenen Postdoktoranden, die eine breite Palette von Fachkenntnissen abdecken, darunter Molekularbiologie, Strukturbiologie, traditionelle Biochemie, Chemie kleiner Moleküle, Proteinproduktion und Biophysik.

„Von Anfang an wussten wir, dass das Forschungshotel wirklich erfahrene Postdoktoranden braucht, die an eigenen Forschungsprojekten beteiligt waren und sowohl ihre eigenen als auch andere Forschungsthemen vorantreiben,“ erklärte Dr. Wear. „Unsere Kernwissenschaftler sind nicht nur gute Techniker; sie interessieren sich für die Details der Geräte und der Experimente, die die Leute verwenden und durchführen, aber gleichzeitig haben sie ein sehr hohes Verständnis von Theorie und akademischem Input. Daher verstehen sie die Einschränkungen der Ausrüstung in der Einrichtung und wie man sie und die Reagenzien am besten nutzt. Das bedeutet, dass die Ergebnisse der nachgelagerten Forschung, unter Verwendung der besten Qualität an Reagenzien und Proteinen, effektiver und effizienter sind und qualitativ bessere Ergebnisse liefern. Es ist auch aus der Sicht des Nutzers informativ, weil sie mit echten Experten an dem Projekt arbeiten und wertvolle Tipps und Einblicke erhalten.“

 

Gut ausgestattet

Abgesehen von den Einschränkungen durch die Covid-19-Pandemie besteht die größte Herausforderung für die EPPF darin, ihre Ausrüstung auf den neuesten Stand zu bringen und zu halten.

„Das ist entscheidend, aber teuer. Um diese weltklasse Ergebnisse der biomedizinischen Wissenschaftsgemeinschaft aufrechtzuerhalten, müssen wir ständig an der Spitze dessen sein, was die Ausrüstung und die Wissenschaft leisten können, und sicherstellen, dass die Plattformen online gehen, um dies zu ermöglichen,“ sagte Dr. Wear. Eines der einzigartigen Merkmale der EPPF ist, dass wir versuchen, die Kosten für die Nutzer so gering wie möglich zu halten. Strategische Unterstützung durch die Förderinstitutionen, die Universitäten und den Wellcome Trust ist jedoch unerlässlich, um die Einrichtung am Laufen zu halten. Insgesamt sind die Ergebnisse und der Wert jedoch weit größer als die Summe der Teile.“

Die kontinuierliche Unterstützung durch den Wellcome Trust und die Universität Edinburgh haben es der EPPF ermöglicht, erheblich in Ausrüstung zu investieren, die vielfältig genug ist, um eine breite Palette von Forschungsanforderungen zu unterstützen. „Das Forschungshotelmodell wurde entwickelt, um Zugang zu einer möglichst vielfältigen Plattform und Nutzer zu schaffen,“ sagte Dr. Wear.

Die EPPF verfügt über moderne Flüssigkeitschromatographiesysteme, die auf verschiedene Weise konfiguriert sind, um so viel Flexibilität wie möglich für die Produktion und Reinigung zu bieten; Kapazitäten für die Kultur von Bakterien, Hefen und Säugerzellen; eine umfassende Suite von Analysegeräten zur Untersuchung des biophysikalischen Zustands von Proteinen und Proteinkomplexen - Oberflächenplasmonresonanz (SPR) Instrumente zur Untersuchung von Kinetiken, Kalorimetrie-Instrumente zur Untersuchung der Thermodynamik und eine Reihe von Spektroskopie- und Lichtstreutechnologien, die zur Definition und Bestimmung der Größe, Form und Aktivität von Proteinen oder Proteinreagenzien in ihren nativen Lösungszuständen verwendet werden können.

„Es ist wirklich wichtig, alle Geräte an einem Ort zu haben, weil es den Leuten ermöglicht, entweder eine bestimmte Plattform für ihren Arbeitsablauf auszuwählen oder uns im Wesentlichen als Proxy für ihr eigenes Labor zu nutzen, für die gesamte Arbeitspipeline,“ kommentierte Dr. Wear.

 

         

Wesentliche Infrastruktur

Die Forschungseinrichtung selbst ist ebenfalls entscheidend für den Erfolg.

„Die Hauptausrüstung funktioniert nicht, wenn keine gute unterstützende Infrastruktur vorhanden ist,“ sagte Dr. Wear. „Unsere Essentials sind Zentrifugen, Inkubatoren und -80°C Gefrierschränke, grundlegende Verbrauchsmaterialien und Reagenzien sowie das Gebäude selbst. Wenn Sie diese nicht haben, ist es egal, wie viel hochwertige Ausrüstung Sie haben, Sie können sie nicht effektiv nutzen.“

„Unsere neue PHCbi-Ausrüstung wurde mit Ressourcen und Mitteln erworben, die zur Unterstützung der Bemühungen um eine innovative Steigerung der Nachhaltigkeit der Infrastruktur der Universität, der Hauptausrüstung und ihrer Funktionsweise existieren, um die Energiekosten und den CO2-Fußabdruck der gesamten Universität ernsthaft zu reduzieren. Die Universität Edinburgh hat sich das Ziel gesetzt, bis 2040 klimaneutral zu sein. Wir haben berechnet, dass die Energieeinsparung bei den neuen PHCbi-Schränken im Vergleich zu den alten etwa £6.000 pro Jahr an Strom und etwa 11 Tonnen CO2-Äquivalent betrug,“ erklärte er. „Darüber hinaus haben die Leute kommentiert, dass die neuen PHCbi-Schränke wirklich leise und sehr reibungslos laufen. Es ist jetzt wirklich angenehm, in den Labors zu sein, während es vorher wirklich ziemlich laut war. Sie machen die Arbeitsumgebung angenehmer, was wirklich gut für alle ist,“ fügte er hinzu.

 

„Wir haben berechnet, dass die Energieeinsparung bei den neuen PHCbi-Schränken im Vergleich zu den alten etwa £6.000 pro Jahr an Strom und etwa 11 Tonnen CO2-Äquivalent betrug.“

 

Während Dr. Wears Meinung ist, dass es mehrere alternative Anbieter auf dem Markt gibt, mit relativ ähnlichen Geräte-Spezifikationen und Preisen, sieht er mehrere Vorteile bei der PHCbi-Ausrüstung.

„In Anbetracht der Bauqualität, der Kosten pro Einheitseffizienz und der gewünschten Sonderanfertigungen gehören die PHCbi-Einheiten immer zu den obersten 20%. Ihre Zuverlässigkeit jedoch, macht sie besonders. In Bezug auf Preis, Leistung und Zuverlässigkeit rangiert PHCbi unter den obersten 10% der Instrumentierung, wenn es darum geht, was man kaufen sollte,“ sagte er. „PHC Europe hat ein Gleichgewicht erreicht, das echten Service für den Kunden bietet, sei es bei der technischen Beratung, Preisgestaltung oder Zuverlässigkeit. Und weil wir eine langjährige Beziehung mit ihnen haben und meine PHC-Vertreterin, Cheryl Swinton-Aitken, immer sehr zuvorkommend war, macht es diese Beziehung viel produktiver, sowohl für sie als auch für uns.“

 

Trends in der Proteinforschung

Die EPPF hat eine lange Geschichte in der Zusammenarbeit mit Immunophilin-Proteinen. Dies ist eine große Familie kleiner Proteine, die an der Immunantwort und der Aktivierung von T-Zellen beteiligt sind. In diesem Zusammenhang ist die EPPF für ihre Arbeit zur Analyse der molekularen Details der Wechselwirkung zwischen den Cyclophilinen und dem Medikament Cyclosporin bekannt, das Transplantationspatienten verabreicht wird, um eine Organabstoßung zu verhindern und direkt von dieser Proteinfamilie vermittelt wird. Sie sind auch irgendwie in den Infektionszyklus von Viren wie HIV und Hepatitis eingebunden.

 

MPR-1412-PE: Während die EPPF PHCbi-Ausrüstung seit vielen Jahren verwendet, hat sie kürzlich 6 x PHCbi MPR-1412 Medizin-/Pharma-Kühlschränke erworben, um Kühlung im Temperaturbereich von 2°C bis 23°C bereitzustellen. Die Einheiten wurden speziell zur Unterstützung der Arbeit mit dem ÄKTA™ Proteinreinigungssystem gekauft.

 

„Es gibt großes Interesse an der Entwicklung neuer Inhibitoren für diese Proteine, um neue Therapeutika und Behandlungen zu entwickeln. Da wir eine lange Geschichte der Arbeit mit ihnen haben, haben wir uns auch einen weltweiten Ruf als beste Quelle für diese Proteine als Reagenzien für die Forschung und für ihre detaillierte biophysikalische Charakterisierung erworben,“ erklärte Dr. Wear. „Große Biopharma-Unternehmen haben uns bevorzugt wegen dieser Proteine und der Arbeit kontaktiert.“

Ein internationaler Trend in der Proteinwissenschaft ist die Miniaturisierung von Proteinproduktions- und Charakterisierungs-Workflows in der Kryo-Elektronenmikroskopie-Analyse. Bedeutende technologische Fortschritte in den letzten Jahren bedeuten, dass es jetzt möglich ist, atomare Auflösungsstrukturen mit dieser Technik zu erhalten. Weniger Material wird im Vergleich zu den beiden traditionellen atomaren Auflösungstechniken benötigt: Röntgenkristallographie und NMR.

„Es gab einen allgemeinen Wandel im Maßstab der Produktion, um dieser Nachfrage gerecht zu werden, was bedeutet, dass die Ausrüstung sowie die vor- und nachgelagerte Verarbeitung empfindlicher und durchsatzstärker geworden sind, weil weniger Probenmaterial benötigt wird. In den nächsten fünf Jahren kann ich mir vorstellen, dass diese Technik routinemäßig wird,“ fuhr er fort.

 

Pandemie

Die Covid-19-Pandemie hat die Proteinforschung in vielerlei Hinsicht beeinflusst.

„Wir waren an der schnellen Reaktion auf Covid-19-Forschung beteiligt und Teil eines Covid-19-Proteinproduktionskonsortiums, das aus einem Netzwerk von 10 Laboratorien im ganzen Land bestand, das vom Wellcome Trust UK und dem Rosalind Franklin Institute eingerichtet wurde. Das Konsortium wurde eingerichtet, um eine Reihe von Laboratorien und Ressourcen bereitzustellen, um Reagenzien für die Covid-19-Forschung zu produzieren, insbesondere für diejenigen, die mit Forschung beschäftigt waren, aber nicht unbedingt die Einrichtungen oder das Fachwissen hatten, um die viralen Proteine herzustellen. Das Konsortium war da, um qualitativ hochwertige Reagenzien bereitzustellen, um neuartige Ideen zu ermöglichen, die bestimmte Fragen zur Virusreplikation, zur Pandemie oder zur Verteilung neuer Therapeutika usw. zu beantworten,“ sagte Dr. Wear

Die Pandemie hat jedoch auch den Zugang beeinflusst.

„Wir durften offen bleiben, jedoch mit Einschränkungen, z.B. wie viele Personen im Labor, in jedem Raum usw. sein konnten. Dies hat einige unserer Schulungs- und Lehraktivitäten verzögert, aber wir haben viel mehr Servicearbeit übernommen, als wir normalerweise tun würden, und haben während der gesamten Pandemie rund um die Uhr in Schichten gearbeitet, um Projekte voranzutreiben,“ fügte er hinzu.

 

Wichtige Einrichtung

Die Proteine und Protein-Komplexe, die Forscher untersuchen wollen und müssen, sind zunehmend komplexer geworden.

„Proteine, die wir jetzt zu erforschen versuchen, sind tendenziell mehrkomponentig und groß und kompliziert und können nicht mehr einfach hergestellt werden,“ bemerkte Dr. Wear. „Es wird teurer, sie herzustellen. Komplexere Produktionsplattformen, Säugerzellen oder Insektenzellen werden benötigt. Es wird einfach immer schwieriger, die Materialien herzustellen, die für die Durchführung der Forschung benötigt werden. Ohne viel Erfahrung darin, würden viele dieser Projekte nie in Gang kommen, ohne Zugang zu einer zentralen Einrichtung wie der EPPF.“

 

Für weitere Informationen besuchen Sie www.ed.ac.uk/biology/research/facilities/edinburgh-protein-production-facility-eppf

 

Wichtige Forschung in Zusammenarbeit mit der Edinburgh Protein Production Facility

 

2021. Schnell wirkende allosterische Inhibitoren der Phosphofructokinase blockieren den Trypanosomen-Glykolyseweg und können die akute afrikanische Trypanosomiasis bei Mäusen heilen. Nat Commun. 16. Feb.;12(1):1052.doi: 10.1038/s41467-021-21273-6. Iain W. McNae, James Kinkead, Divya Malik, Li-Hsuan Yen, Martin K. Walker, Chris Swain, Scott P. Webster, Nick Gray, Peter M. Fernandes, Elmarie Myburgh, Elizabeth A. Blackburn, Ryan Ritchie, Carol Austin, Martin A. Wear, Adrian J. Highton, Andrew J. Keats, Antonio, Jacqueline Dornan, Jeremy C. Mottram, Paul A.M. Michels, Simon Pettit, Malcolm D. Walkinshaw.

2020. Ein helmynthabgeleiteter Suppressor von ST2. Elife. 18. Mai;9:e54017. doi: 10.7554/eLife.54017. Vacca F, Chauché C, Jamwal A, Hinchy EC, Heieis G, Webster H, Ogunkanbi A, Sekne Z, Gregory WF, Wear M, PeronaWright G, Higgins MK, Nys JA, Cohen ES, McSorley HJ.

2017. Molekulare Grundlage für die zellzyklusabhängige Kontrolle der Mis18-Komplexassemblierung, ein wesentlicher Regulator der Vererbung des Zentromers. EMBO Rep. 2017 Apr 4. pii: e201643564. doi: 10.15252/embr.201643564. Frances Spiller, Bethan Medina-Pritchard, Maria Alba Abad, Martin A. Wear, Oscar Molina, William C. Earnshaw und A. Arockia Jeyaprakash.

2017. Thermo-kinetische Analysieraumerweiterung für Cyclophilin-Ligand-Wechselwirkungen; Identifikation eines neuen nicht-peptidischen Inhibitors unter Verwendung des Biacore™ T200. FEBS Open Bio. 23;7(4):533-549. M.A. Wear, M. Nowicki, I. McNae und MD. Walkinshaw.

2016. Biophysikalische Charakterisierung und Aktivität von Lymphostatin, einem multifunktionalen Virulenzfaktor von anheftendem und auslösendem Escherichia coli. J. Biol. Chem. 11;291(11):5803-16. Robin L. Cassady-Cain, Elizabeth A. Blackburn, Husam Alsarraf, Emil Dedic, Andrew G. Bease, Bettina Bouttcher, Ren Joslashrgensen, Martin Wear und Mark P. Stevens.

2015. Ein optimiertes, automatisiertes Protokoll für die Produktion von Milligramm-Mengen unmarkierten rekombinanten Ratten-Lactatdehydrogenase A unter Verwendung von ÄKTAxpress™. PLoS One. 2015 Dec 30;10(12):e0146164. doi: 10.1371/journal.pone.0146164. eCollection. Nowicki MW, Blackburn EA, McNae IW, Wear MA.

2007. Experimentelle Bestimmung der van-der-Waals-Energien in einem biologischen System. Angew Chem Int Ed Engl. 2007;46(34):6453-6. doi: 10.1002/anie.200702084. Wear MA, Kan D, Rabu A, Walkinshaw MD.

 

INFORMATIONEN

 

PHC Europe
www.phchd.com/eu/biomedical