В настоящее время много шума вокруг новых впечатляющих методов лечения, таких как персонализированная терапия рака с использованием модифицированных иммунных клеток или антител. Однако такие методы лечения очень сложны и дороги, поэтому находят лишь ограниченное применение. Большинство методов лечения по-прежнему основаны на небольших химических соединениях, которые можно производить в больших количествах и, следовательно, с низкой стоимостью.

Узким местом в разработке новых молекулярных терапий является ограниченное количество новых активных веществ, которые можно найти с помощью современных методов. Метод, разработанный в 2000-х годах в Гарварде и ETH Zurich, обещает предоставить лекарство: ДНК-кодированные химические библиотеки (DEL).

На сегодняшний день технология DEL могла использоваться для производства миллионов химических соединений и проверки их эффективности за один раз. Однако недостатком этого было то, что исследователи могли создавать только небольшие молекулы из нескольких химических строительных блоков. Химики из ETH Zurich теперь усовершенствовали и значительно улучшили этот процесс.

С помощью нового метода, опубликованного в журнале Science , исследователи теперь могут автоматически синтезировать и тестировать не просто несколько миллионов, а миллиарды различных веществ в течение нескольких недель. Метод также может быть применен для производства гораздо более крупных молекул лекарственных средств, таких как кольцевые пептиды, которые могут быть использованы для нацеливания на дополнительные фармакологические цели.

Создание и тестирование всех комбинаций

«Первые активные вещества, разработанные с помощью ранней технологии DEL, в настоящее время проходят расширенные клинические испытания. Этот новый метод DEL в очередной раз значительно расширяет возможности», — объясняет Йорг Шойерманн.

Он и его исследовательская группа в Институте фармацевтических наук являются одними из пионеров технологии DEL, которая считается ключом к использованию комбинаторных возможностей в химическом производстве молекул на практике.

Цель комбинаторной химии — создать как можно больше молекулярных вариантов из отдельных строительных блоков. Из всех этих комбинаций исследователи вылавливают те, которые демонстрируют желаемую активность. Количество различных молекул растет экспоненциально с количеством циклов синтеза и с количеством различных строительных блоков, которые объединяются в каждом цикле синтеза.

Использование кода ДНК для идентификации активных молекул

Для того, чтобы исследователи могли идентифицировать отдельные активные соединения в быстро растущем «молекулярном супе» в тестах эффективности, метод DEL присоединяет определенный короткий фрагмент ДНК к молекуле параллельно с каждым строительным блоком активного ингредиента. Это создает уникальную последовательность ДНК как считываемый штрихкод для каждой комбинации строительных блоков.

Например, можно проверить всю совокупность молекул на ее способность связываться с определенным белком , а отдельные сегменты ДНК можно амплифицировать и четко идентифицировать с помощью метода ПЦР (полимеразной цепной реакции), известного по тестам на COVID.

Предотвращение экспоненциального роста загрязнения

Однако химическая реальность до сих пор серьезно ограничивала возможности технологии DEL. Процесс связывания фрагментов ДНК с химическими строительными блоками неизменно надежен, но эффективность, с которой эти строительные блоки химически связываются друг с другом, варьируется в зависимости от комбинации. В результате код ДНК теряет свою уникальность.

Один и тот же код может относиться не только к полной молекуле со всеми строительными блоками, но и к усеченным вариантам, содержащим только некоторые из строительных блоков. Эти примеси также экспоненциально увеличиваются с каждым раундом синтеза. На практике это ограничило управляемый размер библиотек DEL комбинациями из трех-четырех связанных блоков и, таким образом, несколькими миллионами различных соединений.

Встроенная самоочистка

Исследовательская группа Шойерманна теперь нашла способ предотвратить растущее загрязнение молекулярной библиотеки: очистить синтезированный DEL до последнего строительного блока. Метод исследователей ETH основан на двух основных частях.

Во-первых, синтез молекул связан с магнитными частицами, которые можно легко и автоматически обрабатывать. Это позволяет проводить циклы промывки, среди прочего. Во-вторых, команда ввела второй компонент химической связи на частицах, который может связываться только с последним из запланированных строительных блоков.

Все укороченные молекулы, в которых отсутствует, скажем, последний строительный блок, можно удалить за один шаг промывки. В конце концов, в библиотеке остаются только те молекулы, которые содержат все строительные блоки, указанные в коде ДНК.

Конфликт с комбинаторной химией

Как бы элегантно этот метод ни выглядел на бумаге, реализовать его было сложно, как говорит Шойерманн: «Особенно сложно было найти магнитные частицы, которые не мешали бы ферментативному связыванию фрагментов ДНК. В ходе своих докторских проектов Мишель Келлер и Димитар Петров из моей группы вложили много времени и энергии, чтобы убедиться, что метод работает надежно».

Идея проведения такой комбинаторной химии на частицах возникла еще в 1990-х годах, но только сейчас исследователи ETH смогли реализовать ее на практике для библиотечного синтеза.

Более разнообразные и крупные молекулы

Самоочищающаяся технология DEL выходит за рамки возможности обработки гораздо более крупных библиотек из нескольких миллиардов молекул; она также позволяет исследователям синтезировать более крупные молекулы, состоящие из пяти и более строительных блоков.

«Раньше мы могли искать небольшие активные вещества, которые подходили как ключ к замку активного центра терапевтически значимых белков, но теперь мы можем искать и более крупные. Эти более крупные активные вещества могут прикрепляться не только к активным центрам белка, но и к другим определенным областям поверхности белка, например, чтобы предотвратить его связывание с рецептором», — говорит Шойерманн.

Фундаментальные биологические исследования также выигрывают от возможности нахождения молекул, которые связываются с определенными поверхностями белков, поскольку это позволяет маркировать и исследовать белки в их клеточном контексте. Более того, метод ETH может стать благом для крупных международных исследовательских инициатив, таких как Target 2035.

Эта инициатива охватывает около 20 000 человеческих белков и ставит своей целью к 2035 году найти для каждого из них молекулу, которая будет специфически связываться с этим белком и, следовательно, сможет влиять на его функцию.

Дополнительные услуги для промышленности и науки

Чтобы сделать технологию доступной для фармацевтической промышленности и для фундаментальных исследований максимально эффективно, Шойерманн и его команда создадут отдельную компанию. Эта компания будет предлагать весь процесс: от разработки коллекций DEL и автоматизированного синтеза до автоматизированного тестирования эффективности и идентификации молекул на основе ДНК.

«Мы наблюдаем огромный интерес со стороны промышленности и исследователей, особенно к циклическим молекулам, которые до сих пор не были доступны в больших количествах», — говорит Шойерманн.