Οι επιστήμονες ανακάλυψαν πώς τα βακτήρια παράγουν φυσικά πολλαπλές εκδοχές ισχυρών αντικαρκινικών φαρμάκων, λύνοντας ένα μυστήριο που προβληματίζει τους ερευνητές για δεκαετίες. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να βοηθήσει στην επιτάχυνση της ανάπτυξης νέων θεραπειών για καρκίνους που είναι ακόμα δύσκολο να αντιμετωπιστούν.
Για χρόνια, οι επιστήμονες ήλπιζαν να χρησιμοποιήσουν βακτηριακά ένζυμα για να δημιουργήσουν νέες παραλλαγές φαρμάκων μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως συνδυαστικής βιοσύνθεσης. Ωστόσο, η πρόοδος είναι περιορισμένη επειδή οι ερευνητές δεν κατανοούν πλήρως πώς τα ένζυμα συντονίζουν τη δουλειά τους.
Δημοσιεύτηκε στο Επικοινωνία με τη φύσηΝέα έρευνα αποκαλύπτει πώς τα βακτηριακά ένζυμα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για να συγκροτήσουν μια οικογένεια στενά συνδεδεμένων αντικαρκινικών ενώσεων. Αυτή η οικογένεια περιλαμβάνει τη ρομιδεψίνη (Estodax), μια εγκεκριμένη από τον FDA θεραπεία για ορισμένους καρκίνους του αίματος. Αποκαλύπτοντας αυτό το φυσικό σύστημα «μίξης και αντιστοίχισης» και αναπαράγοντας τις βασικές αρχές του στο εργαστήριο, οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει μια νέα στρατηγική για το σχεδιασμό μελλοντικών θεραπειών για τον καρκίνο.
«Για δεκαετίες, γνωρίζαμε ότι τα βακτήρια μπορούν φυσικά να παράγουν πολλαπλές εκδοχές ισχυρών αντικαρκινικών φαρμάκων, ωστόσο δεν ξέρουμε πώς το επιτυγχάνουν αυτό», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας Δρ Munro Passmore, ερευνητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου του Warwick. “Αυτή η εργασία τελικά σπάει αυτόν τον κώδικα. Έχουμε εντοπίσει πώς διαφορετικά ένζυμα αλληλεπιδρούν και συνεργάζονται για να δημιουργήσουν αυτές τις παραλλαγές φαρμάκων, κάτι που οι ερευνητές έχουν αποφύγει επειδή το σύστημα είναι τόσο όμορφο οικονομικό. Στην πραγματικότητα είναι αυτό που χρειαζόμαστε για να κατασκευάσουμε μόνοι μας αυτά τα φάρμακα.”
Μικροί μοριακοί σύνδεσμοι αποκαλύπτουν τις στρατηγικές της φύσης για την παραγωγή φαρμάκων
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μικρές μοριακές περιοχές γνωστές ως «περιοχές σύνδεσης» λειτουργούν ως σύνδεσμοι μεταξύ του πυρήνα του μηχανήματος παραγωγής φαρμάκων και των ενζύμων που είναι υπεύθυνα για την προσθήκη διαφορετικών συστατικών. Αυτοί οι τομείς σύνδεσης μοιράζονται ένα διατηρημένο σημείο σύνδεσης που τους επιτρέπει να αλληλεπιδρούν με πολλούς συνεργάτες ενζύμων.
Αυτός ο εύκαμπτος σχεδιασμός δείχνει πώς τα βακτήρια μπορούν να παράγουν μια ποικιλία σχετικών μορίων φαρμάκου, διατηρώντας παράλληλα την ακρίβεια που απαιτείται για να παραμείνουν αποτελεσματικές οι ενώσεις.
Η έρευνα ρίχνει επίσης φως στο πώς εξελίχθηκαν αυτά τα φυσικά συστήματα παραγωγής φαρμάκων. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η πρόσφατα ταυτοποιημένη ένωση πιθανότατα εξελίχθηκε από ένα σχετικό μονοπάτι παραγωγής φαρμάκων μέσω διπλασιασμού γονιδίων και ανασυνδυασμού με την πάροδο του χρόνου.
Ο καθηγητής Greg Challis, Καθηγητής Αειφόρου Χημείας της Συμμαχίας Monash Warwick, University of Warwick και Monash University, κατέληξε: “Αυτή η έρευνα μας δίνει ένα σχέδιο για να κάνουμε ό,τι κάνει η φύση, αλλά καλύτερα και πιο γρήγορα. Με την αντίστροφη μηχανική της εξελικτικής λογικής της φύσης, μπορούμε τώρα να σχεδιάσουμε νέα συνθετικά μονοπάτια που μπορούν να οδηγήσουν σε αντιγονικές ιδιότητες όπως υψηλότερη ισχύς, καλύτερη επιλεκτικότητα, λιγότερες παρενέργειες Ο άμεσος στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε μια διευρυμένη βιβλιοθήκη υποψηφίων για διάφορους καρκίνους όπου χρειάζονται επειγόντως νέες θεραπείες.
Πώς η ανακάλυψη θα μπορούσε να βελτιώσει την ανάπτυξη φαρμάκων για τον καρκίνο
Η εργασία επικεντρώθηκε σε μια κατηγορία αντικαρκινικών φαρμάκων γνωστών ως αναστολείς HDAC. Αυτά τα φάρμακα μπλοκάρουν τις αποακετυλάσες ιστόνης, ένζυμα που βοηθούν στον έλεγχο των γονιδίων που ενεργοποιούνται ή απενεργοποιούνται μέσα στα κύτταρα. Η ρομιδεψίνη (Estodax) είναι ένας εγκεκριμένος από τον FDA αναστολέας HDAC που χρησιμοποιείται για τη θεραπεία των λεμφωμάτων Τ-κυττάρων.
Μια χημικά σχετική ένωση που ονομάζεται FR-901375 είναι γνωστή εδώ και δεκαετίες, αλλά οι επιστήμονες δεν έχουν ποτέ εντοπίσει τη βιολογική οδό που χρησιμοποιούν τα βακτήρια για να την κάνουν. Αυτή η μελέτη γεμίζει τελικά αυτό το κομμάτι που λείπει.
Όπως και άλλοι αναστολείς HDAC στην οικογένειά του, το FR-901375 ανήκει σε μια ομάδα πολύπλοκων κυκλικών μορίων γνωστών ως δεψιπεπτίδια. Αυτές οι ενώσεις συναρμολογούνται από δομικά στοιχεία αμινοξέων με ένα διατηρημένο φαρμακοφόρο υδροξυ οξύ, όλα συνδεδεμένα μέσω ενός συνδυασμού πεπτιδικών και εστερικών δεσμών.
Μέσα στα βακτήρια, αυτά τα μόρια κατασκευάζονται από μεγάλα πρωτεϊνικά σύμπλοκα που ονομάζονται υβρίδια PKS-NRPS, τα οποία συνδυάζουν τις δραστηριότητες της πολυκετιδικής συνθάσης (PKS) και της μη ριβοσωμικής πεπτιδικής συνθετάσης (NRPS). Νέα έρευνα δείχνει ότι το κλειδί σε αυτή τη διαδικασία συναρμολόγησης είναι ο τομέας σύνδεσης, ο οποίος λειτουργεί σαν μοριακός σύνδεσμος που επιτρέπει σε ένα μέρος της γραμμής παραγωγής να αναγνωρίσει και να περάσει το προϊόν του στο επόμενο. Αυτή η διαδικασία είναι που επιτρέπει την ολοκληρωμένη βιοσύνθεση και επιτρέπει στα βακτήρια να παράγουν φυσικά πολλαπλές παραλλαγές φαρμάκων.
Πώς οι ερευνητές έλυσαν το μυστήριο
Για να ανακαλύψει πώς λειτουργεί αυτό το σύστημα, η ομάδα συνδύασε τη δομική βιολογία, τη βιοχημεία, τη γενετική και την υπολογιστική μοντελοποίηση.
Τα καθήκοντά τους περιλαμβάνουν:
- Βιοπληροφορική αναζήτηση δημόσιων βάσεων δεδομένων που εντόπισαν το σύμπλεγμα βιοσυνθετικών γονιδίων FR-901375 Pseudomonas chlororaphis subsp το ψάριμε αποτελέσματα επιβεβαιωμένα με ανάλυση φασματομετρίας μάζας των εκχυλισμένων μεταβολιτών.
- Πειράματα ανασύστασης in vitro με χρήση καθαρισμένων περιοχών πρωτεΐνης που επιδεικνύουν παραγωγικές αλληλεπιδράσεις ενζύμου-ενζύμου επαληθευμένες με φασματομετρία μάζας άθικτης πρωτεΐνης.
- Υπολογιστική μοντελοποίηση Alphafold για την πρόβλεψη συμπλόκων πρωτεϊνικών δομών, ακολουθούμενη από φασματομετρία μάζας αποτυπώματος καρβενίου για πειραματική χαρτογράφηση θέσεων αλληλεπίδρασης.
- Πειράματα μεταλλαξογένεσης κατευθυνόμενης θέσης επιβεβαίωσαν τη σημασία των προβλεπόμενων υπολειμμάτων σύνδεσης.
- Οι μελέτες διαγραφής γονιδίων σε βακτηριακά στελέχη δείχνουν ότι οι περιοχές σύνδεσης είναι απαραίτητες για τη λειτουργία του συστήματος in vivo.
- Συγκριτική ανάλυση συστάδων βιοσυνθετικών γονιδίων από πολλαπλά βακτήρια που παράγουν αναστολείς HDAC αποκαλύπτει εξελικτικά διατηρημένα χαρακτηριστικά που μοιράζονται αυτά τα φυσικά συστήματα παραγωγής φαρμάκων.
