Bioanalytik

Bioanalytik

Identifizierung, Quantifizierung und Charakterisierung von Biomolekülen

Arzneimittel, die biotechnologisch hergestellt werden, müssen in Europa der Monographie „DNA-rekombinationstechnisch hergestellte Produkte“ des Europäischen Arzneibuches genügen. Die Analysemethoden zur Identifizierung, Quantifizierung und Charakterisierung von Biomolekülen sind deutlich verschieden von denen der klassischen Analytik relativ kleiner organischer Verbindungen. Dies hat zu einem eigenen Zweig in der Analytik geführt, der Bioanalytik.

Als FDA-geprüftes und GMP-zertifiziertes Auftragslabor in der Schweiz haben UFAG LABORATORIEN bioanalytische Methoden für Proteine etabliert. Zum Portfolio zählen u.a. elektrophoretische Methoden wie SDS-PAGE, IEF und 2D-Kombinationen davon, Blotting-Techniken (Western Blot) sowie die Bestimmung der Aminosäurezusammensetzung.

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Bioanalytik versus klassische Analytik - Besonderheit von Biomolekülen

Bioanalytik: Gelelektrophorese
Bioanalytik: Gelelektrophorese

Proteine und Peptide bestehen aus Ketten von Aminosäuren, die über Peptidbindungen miteinander verknüpft sind. Die Sequenz der Aminosäuren legt die sogenannte Primärstruktur fest. Reguläre Strukturelemente innerhalb einer Polypeptidkette wie a-Helix und b-Faltblatt bilden die Sekundärstruktur, während die komplette dreidimensionale Struktur der Gesamtkette die Tertiärstruktur darstellt. Besteht ein Protein aus mehreren Polypeptidketten, die miteinander z.B. über Disulfid-Brücken verknüpft sind, spricht man von der Quartärstruktur. Auch nicht-peptische Komponenten wie Elemente, Lipid- oder Kohlenhydrat-Bausteine können zu dieser beitragen.

Die dreidimensionale Struktur eines aktiven Proteins ist genau definiert und essentiell für dessen Funktion. Sie ist nur innerhalb eines definierten Bereichs von chemischen und physikalischen Parametern thermodynamisch stabil. Änderungen von Temperatur, pH-Wert oder Ionenstärke können ein Protein denaturieren. Das Protein verliert seine Aktivität. Die Denaturierung kann permanent oder reversibel sein. Die dreidimensionale Struktur von DNA und RNA ist wie bei den Proteinen ebenfalls nur innerhalb definierter physikalischer und chemischen Grenzen stabil. Änderungen können auch hier zu einer reversiblen oder permanenten Denaturierung führen. Die Struktur, Grösse und die „Empfindlichkeit“ von Biomolekülen sind somit der Grund, dass klassischen analytische Methoden nicht oder nur bedingt zur Analyse anwendbar sind. 

Analytik von Biomolekülen

Die analytische Chemie hat verschiedenen Fragestellungen zu lösen. Man könnte diese grob in vier Kategorien unterteilen:

  • Qualitative Analyse einer Mischung von Verbindungen (qualitative Zusammensetzung, Nachweis, Reinheit)
  • Qualitative Analyse einer reinen Verbindung (Identifikation)
  • Quantitative Analyse einer bestimmen Verbindung in einer Mischung (selektive Quantifizierung, Gehalt, Reinheit)
  • Strukturaufklärung einer reinen Verbindung (Bestimmung der Konstitution, Konfiguration, Konformation)

Eine Vielzahl von analytischen Methoden in der klassischen Analytik erledigen diese Aufgaben. Bei biologischen Molekülen geraten diese Methoden wegen dem hohen Molekulargewicht und der bedingten Stabilität an ihre Grenzen. Bioanalytische Methoden, die diese Umstände berücksichtigten, wurden in den letzten Jahrzehnten entwickelt und verbessert. Allen voran die elektrophoretischen Methoden. Die ein- und zweidimensionale Gelelektrophorese mit und ohne Denaturierung (z.B. SDS-PAGE), die Kapillar-Elektrophorese, die Isoeletrische Fokussierung (IEF) sowie die damit verbundenen Blotting-Techniken (z.B. Western-Blot) sind heute Standard.

Proteine sowie DNA und RNA bestehen aus einer grossen Zahl von Monomeren, die miteinander verknüpft sind. Von daher ist die Bestimmung der Sequenz ein neuer Parameter, der für die Charakterisierung eines Biomoleküls enorm wichtig ist. Methoden hierfür wurden entwickelt und soweit optimiert, dass heute Laborgeräte diese Analysen automatisch im „High-Throughput“ ausführen.

Übersicht über die analytischen Fragestellungen

Die Tabelle gibt eine Übersicht über die analytischen Fragestellungen und einen Vergleich der häufig verwendeten Methoden in der klassischen Analytik und der Bioanalytik. Die Liste ist nicht vollständig, macht aber den Unterschied deutlich.

Analytische Aufgabe Klassische Analytik Kleine Moleküle Bioanalytik DNA/RNA Bioanalytik Proteine
Qualitative Analyse einer Mischung von Verbindungen Gas-Chromatographie (GC) Flüssigchromatographie
(HPLC, UPLC)
Kapillar-Elektrophorese Gel-Elektrophorese 2D-Gel-Elektrophorese MALDI-TOF-MS Gel-Elektrophorese Isoeletrische Fokussierung (IEF) 2D-Gel-Elektrophorese
Qualitative Analyse einer reinen Verbindung Massenspektrometrie NMR PCR DNA Arrays Aminosäurezusammensetzung Tryptischer Verdau mit anschliessender Gel-Elektrophorese MALDI-TOF-MS ESI-MS
Quantitative Analyse einer bestimmen Verbindung in einer Mischung Gas-Chromatographie (GC) Flüssigchromatographie
(HPLC, UPLC) chemisch
Kapillar-Elektrophorese Real-Time PCR DNA Array Biosensor Bioassay (z.B. ELISA, RIA) Biosensor
Strukturaufklärung einer reinen Verbindung NMR Massenspektrometrie Infrarot-Spektroskopie Röntgenkristallographie DNA-Sequenzierung NMR Röntgenkristallographie Elektronenmikroskopie Aminosäure-Sequenzierung NMR Röntgenkristallographie Elektronenmikroskopie

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Unsere Dienstleistungen im Einzelnen:

Elektrophorese in der Bioanalytik
Elektrophorese in der Bioanalytik
  • Beratung zur Bioanalytik
  • SDS-PAGE (Polyacrylamid-Gelelektrophorese mit Natriumdodecylsulfat)
  • IEF (Isoelektrische Fokussierung)
  • 2D-Kombination SDS-PAGE und IEF
  • Western Blot
  • Kombination SDS-PAGE / IEF und Western Blot
  • Aminosäure-Analysen
  • Weitere Dienstleistungen laut Leistungsverzeichnis oder auf Anfrage

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Michael Trösch dipl Chemiker HTL

Tel. +41 58 434 42 00 Fax +41 58 434 42 01 service@ufag-laboratorien.ch

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