Большинство методов лечения по-прежнему основано на небольших химических соединениях, которые можно производить в больших количествах и дёшево.

Миллиарды новых молекул всего за несколько недель

Существующие методы позволяют найти ограниченное количество новых активных веществ для разработки молекулярных терапий.

Решением может стать метод ДНК-кодированных химических библиотек (DEL), разработанный в 2000-х годах в Гарварде и ETH Zurich. С помощью технологии DEL можно получить миллионы химических соединений и проверить их эффективность за один раз. Ранее химики могли создавать только небольшие молекулы из нескольких блоков, но теперь процесс усовершенствован.

С помощью нового метода, недавно опубликованного в журнале Science, учёные могут быстро синтезировать и тестировать миллиарды веществ. Метод также применим для создания более крупных лекарственных молекул, например кольцеобразных пептидов. Они могут воздействовать на дополнительные фармакологические мишени.

Создание и тестирование всех комбинаций

Первые активные вещества, созданные с помощью ранней технологии DEL, проходят клинические испытания.

Йорг Шойерманн и его исследовательская группа в Институте фармацевтических наук — одни из пионеров технологии DEL. Она считается ключом к использованию комбинаторики в химическом производстве молекул.

Цель комбинаторной химии — создать как можно больше вариантов молекул из отдельных строительных блоков. Исследователи отбирают те молекулы, которые демонстрируют желаемую активность. Количество различных молекул растёт с каждым циклом синтеза и с количеством строительных блоков, которые комбинируются в каждом цикле.

Использование кода ДНК для идентификации активных молекул

Чтобы идентифицировать активные соединения в «молекулярном супе», к каждому строительному блоку вещества прикрепляют фрагмент ДНК. Получается уникальная последовательность, которая служит штрих-кодом для каждой комбинации блоков.

Весь набор молекул можно протестировать на способность связываться с определённым белком. А отдельные сегменты ДНК можно идентифицировать методом ПЦР, который знаком нам по тестам на COVID.

Предотвращение экспоненциального роста загрязнения

Технология DEL надёжна, но её возможности ограничены из-за особенностей химического процесса. Соединение фрагментов ДНК с химическими строительными блоками иногда приводит к потере уникальности кода ДНК.

Один и тот же код может относиться к полной молекуле и к усечённым вариантам, содержащим только некоторые строительные блоки. Примеси растут с каждым раундом синтеза. Поэтому управляемый размер библиотек DEL ограничен комбинациями из трёх-четырёх связанных блоков, что даёт несколько миллионов различных соединений.

Самоочищение встроено

Исследовательская группа Шойерманна нашла способ предотвратить загрязнение молекулярной библиотеки. Они предлагают очищать DEL до последнего строительного блока.

Метод исследователей ETH состоит из двух частей:

1. Синтез молекул соединяется с магнитными частицами, которые легко обрабатывать автоматически. Это позволяет проводить циклы стирки.
2. Команда внедрила в частицы второй компонент химической связи, который может связываться только с последним строительным блоком.

В результате за один этап промывки удаляются все усечённые молекулы, которым не хватает последнего строительного блока. В библиотеке остаются только те молекулы, которые содержат все строительные блоки, указанные в коде ДНК.

Конфликт с комбинаторной химией

Хотя метод элегантно выглядит на бумаге, его было трудно реализовать. Как говорит Шойерманн, сложно было найти магнитные частицы, которые не мешали бы ферментативному соединению фрагментов ДНК.

Мишель Келлер и Димитар Петров из моей группы потратили много времени и сил, чтобы убедиться в надёжности метода.

Идея проводить подобную комбинаторную химию на частицах возникла ещё в 1990-х годах, но только сейчас исследователи ETH смогли применить её для синтеза библиотек.

Более разнообразные и крупные молекулы

Технология DEL позволяет работать с крупными библиотеками, состоящими из нескольких миллиардов молекул. Она также даёт возможность синтезировать большие молекулы из пяти и более строительных блоков.

Раньше учёные искали небольшие активные вещества, которые, как ключ, подходили к активному месту белков. Теперь они могут искать более крупные вещества. Эти вещества могут прикрепляться не только к активным центрам белков, но и к другим участкам их поверхности. Например, чтобы предотвратить связывание белка с рецептором, — объясняет Шойерманн.

Фундаментальные биологические исследования получают преимущество от метода, который позволяет находить молекулы, связывающиеся с определёнными поверхностями белков. Это помогает изучать белки в их естественной среде внутри клетки.

Метод ETH может быть полезен для крупных международных проектов, таких как Target 2035. Цель этой инициативы — изучить около 20 000 человеческих белков и к 2035 году найти для каждого из них молекулу, которая будет связываться именно с этим белком и влиять на его функцию.

Услуги по созданию спин-оффа для промышленности и науки

Шойерманн и его команда создадут новую компанию, чтобы сделать технологию доступной для фармацевтической промышленности и фундаментальных исследований. Компания будет предлагать весь процесс: от разработки коллекций DEL и автоматизированного синтеза до тестирования эффективности и идентификации молекул на основе ДНК.

По словам Шойерманна, промышленность и научные круги проявляют большой интерес к циклическим молекулам, которые ранее были недоступны в большом количестве.