Szybka synteza może przyspieszyć rozwój leków

Małe fragmenty białek, zwane również peptydami, są obiecujące jako leki, ponieważ można je zaprojektować do bardzo specyficznych funkcji wewnątrz żywych komórek. Insulina i lek przeciw HIV Fuzeon to jedne z najwcześniejszych udanych przykładów, a do 2018 r. oczekuje się, że leki peptydowe staną się rynkiem wartym 25 miliardów dolarów.

Jednak główne wąskie gardło uniemożliwiło osiągnięcie pełnego potencjału leków peptydowych: produkcja peptydów zajmuje kilka tygodni, co utrudnia uzyskanie dużych ilości i szybkie przetestowanie ich skuteczności.

Chemicy z MIT opracowali sposób na szybkie łączenie aminokwasów we fragmenty białek znane jako peptydy. Ilustracja Aleksandra Winogradowa.

To wąskie gardło może wkrótce zniknąć: zespół chemików i inżynierów chemicznych z MIT opracował sposób na wytwarzanie peptydów w ciągu zaledwie kilku godzin. Nowy system, opisany w ostatnim numerze czasopisma ChemBioChem , może mieć duży wpływ na rozwój leków peptydowych, mówi Bradley Pentelute, adiunkt chemii i kierownik zespołu badawczego.

Peptydy są wszechobecne. Są używane w lecznictwie, znajdują się w hydrożelach i służą do kontrolowania dostarczania leków. Są one również wykorzystywane jako sondy biologiczne do obrazowania raka i badania procesów wewnątrz komórek, mówi Pentelute. Ponieważ teraz możesz je zdobyć naprawdę szybko, możesz zacząć robić rzeczy, których wcześniej nie mogłeś.

Głównym autorem artykułu jest Mark Simon, doktorant w laboratorium Pentelute. Inni autorzy to Klavs Jensen, szef Wydziału Inżynierii Chemicznej MIT i Andrea Adamo, pracownik naukowy w dziedzinie inżynierii chemicznej.

Przyspieszona produkcja

Peptydy terapeutyczne zwykle składają się z łańcucha od 30 do 40 aminokwasów, budulca białek. Wiele uniwersytetów, w tym MIT, ma obiekty do produkcji tych peptydów, ale proces ten trwa zwykle od dwóch do sześciu tygodni przy użyciu maszyn opracowanych około 20 lat temu.

Maszyny te potrzebują około godziny na przeprowadzenie reakcji chemicznych potrzebnych do dodania jednego aminokwasu do łańcucha. Aby przyspieszyć ten proces, zespół MIT dostosował reakcje syntezy, aby można je było przeprowadzić w systemie ciągłego przepływu. Stosując to podejście, każde dodanie aminokwasu zajmuje tylko kilka minut, a cały peptyd można złożyć w niewiele ponad godzinę.

Uważamy, że w przyszłych wersjach będziemy w stanie wykonać każdy krok w mniej niż 30 sekund, mówi Pentelute, który jest również członkiem stowarzyszonym Broad Institute. Oznacza to, że naprawdę będziesz w stanie zrobić wszystko, co chcesz w krótkim czasie.

Nowy system posiada naczynia magazynujące dla każdego z 20 naturalnie występujących aminokwasów, podłączone do pomp, które wyciągają właściwy. Gdy aminokwasy przepływają do komory, w której zachodzi reakcja, przechodzą przez cewkę, w której są podgrzewane do 60 stopni Celsjusza, co pomaga przyspieszyć reakcję syntezy.

Ten system wytwarza peptydy tak czyste, jak te wytwarzane na istniejących maszynach. Jesteśmy na równi z najlepszą na świecie najnowocześniejszą syntezą, ale teraz możemy to zrobić znacznie szybciej, mówi Pentelute.

System powinien ułatwić projektowanie i produkcję nowych peptydów, mówi Philip Dawson, profesor chemii w Scripps Research Institute, który nie był częścią zespołu badawczego. To, co mi się w nim podoba, to prostota urządzenia i przemyślaność, z jaką zostało zestawione – mówi Dawson. Nie mogę się doczekać wypróbowania tego w moim laboratorium.

Dzięki tej technologii naukowcy mogliby projektować i szybko testować nowe peptydy do leczenia raka i innych chorób, a także skuteczniejsze warianty istniejących peptydów, takich jak insulina, mówi Pentelute. Kolejną zaletą tego szybkiego podejścia jest to, że wszelkie potencjalne problemy z konkretną syntezą peptydów można wykryć znacznie wcześniej, co pozwala naukowcom na natychmiastową próbę ich naprawienia.

Innym obszarem, który zamierza realizować Pentelute, jest tworzenie tak zwanych białek lustrzanych. Prawie wszystkie białka występujące w przyrodzie składają się z aminokwasów L, których struktury mają orientację prawoskrętną. Tworzenie i badanie peptydów, które są lustrzanymi odbiciami tych naturalnych białek, może utorować drogę do opracowania takich peptydów jako nowych leków o zupełnie innych funkcjach niż wersje praworęczne.

Technologia, która ma wpływ

W osobnym artykule opublikowanym w tym samym numerze ChemBioChem naukowcy wykazali, że mogą wykorzystać tę technologię nie tylko do syntezy peptydów, ale także do łączenia ich w duże syntetyczne białka. Aby zademonstrować tę technologię, stworzyli przeciwciało naśladujące, które ma 130 aminokwasów, a także 113-aminokwasowy enzym wytwarzany przez bakterie. Absolwenci chemii Surin Mong i Alexander Vinogradov są głównymi autorami tego artykułu, wraz z Simonem.

Naukowcy opatentowali technologię, a Centrum Innowacji Technologicznych Deshpande MIT przyznało im grant na jej komercjalizację. Pentelute twierdzi, że wierzy, że około 10 maszyn wykorzystujących nową technologię wystarczyłoby do zaspokojenia obecnego zapotrzebowania, czyli około 100 000 do 500 000 niestandardowych peptydów rocznie.

Pentelute przewiduje, że technologia może mieć wpływ na biologię syntetyczną porównywalny z szybką syntezą krótkich nici DNA i RNA. Te nici, znane jako oligonukleotydy, potrzebują tylko jednego lub dwóch dni na przygotowanie i można je wykorzystać do stworzenia niestandardowych genów, aby nadać komórkom nowe funkcje.

Taki jest nasz cel — dostawa następnego lub dwóch dni tych jednostek peptydowych do każdego na świecie. To naprawdę marzenie, mówi.

Badania zostały sfinansowane przez MIT Reed Fund, Deshpande Center, nagrodę Damon-Runyon-Rachleff Innovation Award, nagrodę Sontag Foundation Distinguished Scientist Award, nagrodę C.P. Chu i Y. Lai Fellowship, AstraZeneca Distinguished Graduate Student Fellowship, National Institute of General Medical Sciences oraz National Institutes of Health.

ukryć