Biologische Makromoleküle sind grundlegende Bestandteile jeder Zelle und daher für alle Lebewesen unerlässlich. Diese lebenswichtigen Moleküle werden in vier große Klassen eingeteilt: Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren. Die Charakterisierung biologischer Makromoleküle ist wichtig für das Verständnis ihrer Funktionen und Beziehungen, was die Entwicklung neuer Therapien und Behandlungen ermöglicht. In diesem Zweig der Makromolekülforschung konzentriert sich die biotherapeutische Arzneimitteltherapie auf makromolekulare Wechselwirkungen, die zu Krankheiten und/oder Zelltod führen können.

Die Mikrokalorimetrie, eine Unterkategorie der Thermoanalyse, ist ein Verfahren zur Messung von Enthalpie- und Wärmekapazitätsänderungen bei Reaktionen. Zwei Mikrokalorimetrietechniken, die Dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC) und die Isotherme Titrationskalorimetrie (Isothermal Titration Calorimetry, ITC), sind die Standardmethoden zur Charakterisierung der intermolekularen Bindung und strukturellen Stabilität von Makromolekülen. Die biophysikalische Charakterisierung durch Mikrokalorimetrie gibt Aufschluss über die Beziehung zwischen der Struktur und der Funktion eines biologischen Makromoleküls. Die aus diesen Tests gewonnenen thermodynamischen Bindungssignaturen geben nicht nur Aufschluss über die Stärke eines Bindungsvorgangs, sondern auch über die beteiligten spezifischen oder unspezifischen Ursachen.

Dynamische Differenzkalorimetrie charakterisiert die molekulare Stabilität von verdünnten Biomolekülen in Lösung. Diese Analyse wird durch die Bestimmung der Änderungen der partiellen molaren Wärmekapazität des Proteins bei konstantem Druck (∆Cp) durchgeführt. Mit diesen Messungen kann die DSC sowohl Proteinstrukturen als auch spezifische oder unspezifische Protein-Liganden-Bindungen charakterisieren. Strukturstabilitätsprofile aus der DSC offenbaren die Stärken und Schwächen der übergeordneten Struktur und definieren das Verhalten einzelner Bereiche sowie deren Wechselwirkungen.

DSC entwickelt sich zu einem wichtigen und ergänzenden diagnostischen Instrument zur Erkennung und Überwachung des Krankheitsverlaufs. DSC-Messungen spielen auch eine wichtige Rolle bei der Arzneimittelentdeckung, der Formulierung und bei F&E-Testpanels.

Isotherme Titrationskalorimeter sind so konzipiert, dass sie jede molekulare Wechselwirkung durch direkte Messung der thermodynamischen Triebfedern eines Systems charakterisieren. Alle Bindungsvorgänge gehen mit der Abgabe oder Absorption von Wärme (d.h. einer Änderung der Enthalpie, ΔH) einher. In einem einzigen ITC-Experiment kann eine vollständige thermodynamische Charakterisierung der Bindungsreaktionen durchgeführt werden.

Die ITC wird zunehmend zur quantitativen Beschreibung von Systemen eingesetzt, von Proteinen bis hin zu Nanomaterialien. Darüber hinaus helfen ITC-Messungen, die grundlegenden Ursachen molekularer Bindungsreaktionen zu charakterisieren. Da diese Reaktionen Wärme absorbieren oder abgeben, quantifiziert die ITC die Reaktionswärme, um eine vollständige thermodynamische Beschreibung der Bindungsinteraktion, der Stöchiometrie der Bindung und der Assoziationskonstante zu liefern. Die ITC-Analyse kann auch die Kinetik von Enzymen in Echtzeit charakterisieren und überwachen.

Die Nano-DSC von TA Instruments wurde für hochempfindliche Messungen der Wärmeaufnahme oder -abgabe verdünnter Biomoleküle in Lösung beim Erhitzen oder Kühlen entwickelt. Mit der Nano-DSC werden Daten mit weniger Proben als bei vergleichbaren Geräten gewonnen, und die flexible Software ermöglicht eine einfache Einrichtung des Experiments mit stets genauen Messungen. Die Benutzer haben eine präzise Kontrolle über die Versuchstemperatur und den Druck, und die innovative Kapillarzelle der DSC ermöglicht vollständige und genaue Bestimmungen der Übergangstemperaturen (Tm) und der Enthalpie (ΔH).

Die Affinity ITC- und Nano ITC-Kalorimeter von TA Instruments zeichnen sich durch höchste Empfindlichkeit und unübertroffene Flexibilität bei der Charakterisierung molekularer Wechselwirkungen aus. ITC-Analysen sind schnell, präzise, zerstörungsfrei, sowohl mit physiologischen als auch mit synthetischen Substraten kompatibel und ebenso empfindlich wie spektroskopische Verfahren, erfordern jedoch keine spektroskopischen Markierungen oder chemischen Tags. Die kontinuierliche Titration mit einer einzigen Injektion ist eine attraktive Alternative zur herkömmlichen inkrementellen Titration (ITC) für ein schnelles Screening von gut definierten Systemen.

Die Kombination von DSC und ITC bietet einen direkten Ansatz zur Bestimmung von Stabilität und Affinität durch durch Messung thermodynamischer Eigenschaften.. Da Dateien von DSC- und ITC-Messungenmit derselben Analysesoftware, NanoAnalyze, ausgewertet werden, ist die Verarbeitung der komplementä

ren Daten für eine umfassende Materialstudie problemlos möglich.

Wenn Sie mehr über DSC und ITC für die Charakterisierung von Makromolekülen erfahren möchten, lesen Sie diesen Leitfaden von BioCompare. Wenn Sie Fragen zu diesen Geräten haben und wissen möchten, wie sie sich für Ihre Prüfanforderungen eignen, können Sie sich gerne an TA Instruments wenden.