Ostatnie przełomy w DNA-zakodowane biblioteki chemiczne (DEL) zrewolucjonizowały produkcję nowych terapii molekularnych, umożliwiając szybką syntezę i testowanie miliardów substancji. Metoda obejmuje obecnie większe cząsteczki, takie jak peptydy w kształcie pierścienia, co usprawnia opracowywanie leków.
- Naukowcy z ETH Zurich znaleźli sposób na tworzenie i testowanie ogromnych zbiorów cząsteczek, znanych jako biblioteki chemiczne kodowane w DNA (DEL), przy użyciu cząstek magnetycznych.
- Technologia bibliotek chemicznych zakodowanych w DNA, wspólnie opracowana i obecnie udoskonalona w ETH Zurich, stwarza szansę na odkrycie nowych aktywnych składników farmaceutycznych.
- Dzięki nowo opracowanemu mechanizmowi samooczyszczania technologia ta po raz pierwszy umożliwia wytwarzanie większych cząsteczek złożonych z kilku chemicznych elementów składowych.
Innowacyjne terapie medyczne
W dzisiejszych czasach wiele mówi się o nowych, spektakularnych metodach leczenia, takich jak spersonalizowana terapia przeciwnowotworowa przy użyciu zmodyfikowanych komórek odpornościowych lub przeciwciał. Jednakże takie terapie są bardzo złożone i drogie i dlatego znajdują jedynie ograniczone zastosowanie. Większość terapii medycznych w dalszym ciągu opiera się na małych związkach chemicznych, które można wytwarzać w dużych ilościach, a tym samym niewielkim kosztem.
Miliardy nowych cząsteczek w ciągu zaledwie kilku tygodni
Wąskim gardłem w rozwoju nowych terapii molekularnych jest ograniczona liczba nowych substancji czynnych, które można znaleźć przy użyciu obecnych technik. Metoda opracowana w 2000 roku na Harvardzie i ETH w Zurychu może dostarczyć remedium: biblioteki chemiczne kodowane w DNA (DEL).
Do tej pory technologię DEL można było wykorzystać do wytworzenia milionów związków chemicznych i sprawdzenia ich skuteczności za jednym razem. Jednak wadą tego rozwiązania było to, że badacze mogli zbudować tylko małe cząsteczki z kilku chemicznych elementów. Chemicy z ETH Zurich udoskonalili i znacznie ulepszyli ten proces.
Z pomocą nowej metody, opublikowanej niedawno w renomowanym czasopiśmie Naukabadacze mogą teraz automatycznie syntetyzować i testować nie tylko kilka milionów, ale miliardy różnych substancji w ciągu kilku tygodni. Metodę tę można również zastosować do wytworzenia znacznie większych cząsteczek leku, takich jak peptydy w kształcie pierścienia, które można wykorzystać do namierzania dodatkowych celów farmakologicznych.
Chemia kombinatoryczna i DEL
„Pierwsze substancje aktywne opracowane przy pomocy wczesnej technologii DEL znajdują się obecnie w zaawansowanych badaniach klinicznych. Ta nowa metoda DEL po raz kolejny znacznie rozszerza możliwości”, wyjaśnia Jörg Scheuermann. On i jego grupa badawcza w Instytucie Nauk Farmaceutycznych należą do pionierów technologii DEL, która uważana jest za klucz do wykorzystania w praktyce możliwości kombinatorycznych w chemicznej produkcji cząsteczek.
Celem chemii kombinatorycznej jest wytworzenie jak największej liczby wariantów molekularnych z poszczególnych elementów składowych. Ze wszystkich tych kombinacji badacze wyławiają te, które wykazują pożądaną aktywność. Liczba różnych cząsteczek rośnie wykładniczo wraz z liczbą cykli syntezy i liczbą różnych elementów składowych łączonych w każdym cyklu syntezy.
Używanie kodu DNA do identyfikacji aktywnych cząsteczek
Aby badacze mogli zidentyfikować poszczególne składniki aktywne w szybko rosnącej „zupie molekularnej” w testach skuteczności, metoda DEL przyłącza określony krótki fragment DNA do cząsteczki równolegle z każdym elementem budulcowym składnika aktywnego. Tworzy to unikalną sekwencję DNA w postaci czytelnego kodu kreskowego dla każdej kombinacji elementów składowych.
Na przykład całą zupę cząsteczek można zbadać pod kątem zdolności do wiązania się z określonym białkiem, a poszczególne segmenty DNA można amplifikować i wyraźnie identyfikować za pomocą techniki PCR (reakcja łańcuchowa polimerazy) znanej z testów na obecność wirusa COVID.
„Widzimy ogromne zainteresowanie ze strony przemysłu i badań, szczególnie cząsteczkami cyklicznymi, które jak dotąd nie były dostępne w dużych ilościach”.
Jörga Scheuermanna
Zwiększanie precyzji i czystości DEL
Jednak rzeczywistość chemiczna jak dotąd poważnie ograniczyła możliwości technologii DEL. Proces łączenia fragmentów DNA z chemicznymi elementami budulcowymi jest niezmiennie niezawodny, ale skuteczność, z jaką te elementy łączą się chemicznie ze sobą, różni się w zależności od kombinacji. W rezultacie kod DNA traci swoją wyjątkowość.
Ten sam kod może odnosić się nie tylko do całej cząsteczki zawierającej wszystkie elementy składowe, ale także do skróconych wariantów zawierających tylko niektóre elementy składowe. Zanieczyszczenia te również zwiększają się wykładniczo z każdą rundą syntezy. W praktyce ograniczyło to możliwy do zarządzania rozmiar bibliotek DEL do kombinacji trzech do czterech połączonych bloków, a tym samym do kilku milionów różnych związków.
Wbudowane samooczyszczanie
Zespół badawczy Scheuermanna znalazł teraz sposób na zapobieganie rosnącemu zanieczyszczeniu biblioteki molekularnej: oczyszczenie DEL, który został zsyntetyzowany aż do ostatniego elementu składowego. Metoda badaczy ETH opiera się na dwóch głównych częściach. Po pierwsze, synteza cząsteczek jest połączona z cząstkami magnetycznymi, którymi można łatwo i automatycznie manipulować. Umożliwia to między innymi cykle prania. Po drugie, zespół wprowadził do cząstek drugi chemiczny składnik sprzęgający, który może wiązać się tylko z ostatnim z planowanych elementów składowych.
Wszystkie obcięte cząsteczki, którym brakuje, powiedzmy, ostatniego elementu budulcowego, można usunąć w jednym etapie mycia. Ostatecznie biblioteka zawiera tylko te cząsteczki, które zawierają wszystkie elementy określone w kodzie DNA.
Konflikt z chemią kombinatoryczną
Choć metoda ta wygląda na papierze, była trudna w zastosowaniu, jak mówi Scheuermann: „Szczególnym wyzwaniem było znalezienie cząstek magnetycznych, które nie zakłócają enzymatycznego sprzęgania fragmentów DNA. W trakcie swoich projektów doktoranckich Michelle Keller i Dimitar Petrov z mojej grupy zainwestowali dużo czasu i energii, aby mieć pewność, że metoda działa niezawodnie.”
Pomysł przeprowadzenia takiej chemii kombinatorycznej na cząstkach pojawił się w latach 90. XX wieku, ale dopiero teraz badaczom z ETH udało się zastosować to w praktyce na potrzeby syntezy bibliotek.
Bardziej zróżnicowane i większe cząsteczki
Samooczyszczająca się technologia DEL wykracza poza umożliwienie obsługi znacznie większych bibliotek zawierających kilka miliardów cząsteczek; umożliwia także badaczom syntezę większych cząsteczek składających się z pięciu lub więcej elementów składowych. „Wcześniej mogliśmy wyszukiwać małe substancje aktywne, które pasowały jak klucz do zamka miejsca aktywnego białek o znaczeniu terapeutycznym, ale teraz możemy wyszukiwać także większe. Te większe substancje czynne mogą przyłączać się nie tylko do centrów aktywnych białka, ale także do innych określonych obszarów powierzchni białka, na przykład w celu zapobiegania wiązaniu się białka z receptorem” – mówi Scheuermann.
Podstawowe badania biologiczne również czerpią korzyści z możliwości znalezienia cząsteczek, które wiążą się z określonymi powierzchniami białek, ponieważ umożliwia to znakowanie i badanie białek w ich kontekście komórkowym. Co więcej, metoda ETH może być dobrodziejstwem dla dużych międzynarodowych inicjatyw badawczych, takich jak Target 2035. Inicjatywa ta adresowana jest do ok. 200 tys. ludzkich białek i dąży do znalezienia do 2035 r. dla każdego z nich cząsteczki, która wiąże się specyficznie z tym jednym białkiem i w związku z tym może wpływać na jego funkcję.
Usługa typu spin-off dla przemysłu i nauki
Aby możliwie najskuteczniej udostępnić technologię przemysłowi farmaceutycznemu i badaniom podstawowym, Scheuermann i jego zespół utworzą spółkę typu spin-off. Firma ta zaoferuje cały proces: od opracowania kolekcji DEL i automatycznej syntezy po zautomatyzowane testowanie skuteczności i identyfikację cząsteczek na podstawie DNA. „Widzimy ogromne zainteresowanie ze strony przemysłu i badań, szczególnie cząsteczkami cyklicznymi, które jak dotąd nie były dostępne w dużych ilościach” – mówi Scheuermann.
Referencje:
„Biblioteki chemiczne o wysokiej czystości zakodowane w DNA metodą syntezy na fazie stałej z podwójnym łącznikiem” autorstwa Michelle Keller, Dimitar Petrov, Andreas Gloger, Bastien Dietschi, Kilian Jobin, Timon Gradinger, Adriano Martinelli, Louise Plais, Yuichi Onda, Dario Neri i Jörg Scheuermann , 13 czerwca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adn3412
„Biblioteki chemiczne zakodowane w DNA” autorstwa Alexandra L. Satza, Andreasa Brunschweigera, Marka E. Flanagana, Andreasa Glogera, Nilsa JV Hansena, Letiana Kuai, Vereny BK Kuniga, Xiaojie Lu, Daniela Madsena, Lisy A. Marcaurelle, Carol Mulrooney, Gary’ego O’Donovan, Sylvia Sakata i Jörg Scheuermann, 17 stycznia 2022 r., Metody przeglądów natury Podkłady.
DOI: 10.1038/s43586-021-00084-5
„Wpływ technologii biblioteki chemicznej zakodowanej w DNA na odkrywanie leków” Michelle Keller, Kristina Schira i Jörg Scheuermann, 25 maja 2022 r., Chimia.
DOI: 10.2533/chimia.2022.388
