Naukowcy z Instytutu Wyssa na Uniwersytecie Harvarda, Harvard Medical School i Boston Children’s Hospital opracowali nową platformę odkrywania leków, która wykorzystuje nanotechnologię DNA do identyfikowania cząsteczek wpływających na interakcje między białkami. Technologia FIND pozwala analizować ogromne biblioteki związków chemicznych i wybierać kandydatów na leki na podstawie ich działania biologicznego, a nie wyłącznie zdolności do wiązania się z określonym białkiem. Wyniki badań opublikowane w czasopiśmie „Science” wskazują na potencjał tej metody w poszukiwaniu nowych terapii, między innymi chorób metabolicznych.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa platforma FIND opracowana przez naukowców z Harvardu i w jaki sposób wykorzystuje nanotechnologię DNA do odkrywania nowych leków.
- Dlaczego analiza interakcji białko–białko może być skuteczniejsza w identyfikowaniu potencjalnych substancji terapeutycznych niż tradycyjne metody przesiewowe.
- Jak naukowcy wykorzystali bibliotekę 400 milionów cząsteczek do poszukiwania związków wpływających na receptor PPARγ, istotny w leczeniu cukrzycy typu 2.
- Jakie zastosowania może mieć technologia FIND w badaniach nad chorobami metabolicznymi, zakaźnymi i rozwojem nowych terapii.
Nowa metoda odkrywania leków wykorzystuje nanoprzełączniki DNA
Odkrywanie nowych leków jest procesem wieloetapowym, kosztownym i obarczonym dużym ryzykiem niepowodzenia. Jednym z najważniejszych wyzwań pozostaje identyfikacja cząsteczek, które nie tylko oddziałują z określonym celem molekularnym, ale również wywołują pożądany efekt biologiczny. Tradycyjne metody przesiewowe często koncentrują się na sprawdzeniu, czy potencjalny lek wiąże się z wybranym białkiem. Tymczasem samo wiązanie nie oznacza jeszcze, że związek będzie skutecznie wpływał na procesy odpowiedzialne za rozwój choroby.
Rozwiązaniem tego problemu może być FIND (Functional Interaction-based Nanoswitch Discovery) – platforma opracowana przez zespół kierowany przez dr. Wesleya Wonga z Instytutu Wyssa, Harvard Medical School i Boston Children’s Hospital. Technologia wykorzystuje programowalne nanoprzełączniki DNA, które umożliwiają monitorowanie interakcji między dwoma białkami. Dzięki temu naukowcy mogą bezpośrednio identyfikować substancje wzmacniające określone oddziaływania molekularne. Co ważne, platforma pozwala prowadzić wiele eksperymentów równolegle w jednej próbce, zamiast analizować poszczególne związki w oddzielnych testach laboratoryjnych.
Jak działa platforma FIND?
Podstawą technologii są nanoprzełączniki zbudowane z długich nici DNA, do których przyłączane są badane białka oraz potencjalne cząsteczki terapeutyczne. Każdy nanoprzełącznik może przyjmować dwie podstawowe konfiguracje:
- Liniową – gdy dwa białka przyłączone do nici DNA nie tworzą badanego kompleksu.
- Pętlową – gdy białka oddziałują ze sobą, powodując połączenie dwóch fragmentów nici DNA i powstanie charakterystycznej pętli.
Jeżeli badana cząsteczka sprzyja interakcji między białkami, zwiększa się udział nanoprzełączników przyjmujących konfigurację pętlową. Naukowcy wykorzystują następnie elektroforezę żelową, która pozwala rozdzielić struktury DNA na podstawie różnic w ich przemieszczaniu się przez żel. Nanoprzełączniki tworzące pętle poruszają się wolniej niż struktury liniowe, dlatego można je wyodrębnić i poddać dalszej analizie.
Dodatkowym elementem technologii jest molekularny kod identyfikacyjny, przypisany do każdej testowanej cząsteczki. Dzięki sekwencjonowaniu kodów DNA badacze mogą ustalić, które związki odpowiadają za pożądany efekt. Rozwiązanie takie łączy ocenę funkcjonalnego działania cząsteczki z możliwością jej jednoznacznej identyfikacji.
Biblioteka 400 milionów cząsteczek w poszukiwaniu nowych leków
Jednym z najważniejszych eksperymentów przeprowadzonych z wykorzystaniem FIND było poszukiwanie związków wpływających na aktywność receptora PPAR-gamma (PPARγ). Jest to receptor jądrowy uczestniczący w regulacji metabolizmu glukozy i lipidów, różnicowaniu komórek tłuszczowych oraz wrażliwości tkanek na insulinę. Z tego względu stanowi istotny cel terapeutyczny w badaniach nad cukrzycą typu 2 i zaburzeniami metabolicznymi.
Naukowcy rozpoczęli analizę od biblioteki małych cząsteczek kodowanych DNA, obejmującej 400 milionów elementów. Celem było znalezienie substancji, które sprzyjają interakcji receptora PPARγ z fragmentem białka CBP, pełniącego funkcję koaktywatora transkrypcji. Platforma umożliwiła identyfikację związków zwiększających tę interakcję.
Następnie badacze przeprowadzili eksperymenty na hodowanych komórkach. Wykazali, że wybrane cząsteczki zwiększały akumulację lipidów, co było zgodne z aktywacją szlaku PPARγ. Wyniki dostarczyły zatem nie tylko informacji o oddziaływaniu związków z białkami, ale również wstępnego potwierdzenia ich aktywności biologicznej. Nie oznacza to jednak, że odkryte substancje są gotowymi lekami przeciwcukrzycowymi. Konieczne pozostają dalsze badania nad ich selektywnością, bezpieczeństwem, właściwościami farmakologicznymi i skutecznością w organizmach żywych.
Zastosowanie FIND w badaniach nad SARS-CoV-2
Możliwości nowej platformy nie ograniczają się do chorób metabolicznych. Naukowcy wykorzystali FIND również do poszukiwania nanociał, czyli niewielkich fragmentów przeciwciał zdolnych do rozpoznawania określonych struktur molekularnych. W tym przypadku badacze analizowali interakcję między białkiem kolca wirusa SARS-CoV-2 a receptorem znajdującym się na powierzchni ludzkich komórek.
Za pomocą platformy zidentyfikowano nanociało modulujące tę interakcję. Eksperyment pokazał, że FIND może być wykorzystywana nie tylko do wyszukiwania małych cząsteczek chemicznych, ale również biologicznych narzędzi oddziałujących na procesy istotne dla rozwoju chorób zakaźnych.
Ponadto naukowcy przeprowadzili eksperyment kontrolny z wykorzystaniem receptora beta-2-adrenergicznego, który uczestniczy między innymi w regulacji napięcia mięśni gładkich dróg oddechowych. Platforma prawidłowo zidentyfikowała znany aktywator tego receptora, wcześniej dodany do mieszaniny próbek kontrolnych. Wynik ten stanowił dodatkowe potwierdzenie zdolności FIND do rozpoznawania związków o określonej aktywności.
Dlaczego nanotechnologia DNA może zmienić badania nad lekami?
Najważniejszą przewagą platformy FIND jest możliwość prowadzenia przesiewu na podstawie funkcjonalnego wpływu cząsteczek na interakcje białko–białko. Wiele procesów biologicznych zależy od tworzenia kompleksów białkowych. Oddziaływania te regulują między innymi przekazywanie sygnałów wewnątrzkomórkowych, aktywność genów, metabolizm i odpowiedź immunologiczną. Ich zaburzenia mogą uczestniczyć w rozwoju nowotworów, chorób metabolicznych oraz innych schorzeń.
Konwencjonalne metody identyfikacji potencjalnych leków często wskazują substancje wiążące się z pojedynczym celem molekularnym. Nie zawsze pozwalają jednak bezpośrednio ocenić, czy związek zmienia interakcję tego białka z jego biologicznym partnerem. FIND umożliwia uwzględnienie tego mechanizmu już na etapie wstępnej selekcji kandydatów. Dodatkowo zastosowanie kodów DNA i równoległego prowadzenia eksperymentów może zwiększać wydajność przeszukiwania dużych bibliotek związków chemicznych.
Potencjalne korzyści obejmują szybszą identyfikację aktywnych cząsteczek, ograniczenie liczby kolejnych eksperymentów oraz poszerzenie zakresu mechanizmów biologicznych dostępnych dla badań nad nowymi lekami. Należy jednak podkreślić, że wysoka wydajność przesiewu nie jest równoznaczna z przyspieszeniem wszystkich etapów opracowywania terapii. Badania przedkliniczne, ocena toksyczności i próby kliniczne nadal pozostają niezbędne.
Od badań akademickich do zastosowań w przemyśle farmaceutycznym
Technologia FIND powstała w ramach współpracy naukowców z Instytutu Wyssa, Harvard Medical School i Boston Children’s Hospital. Jej rozwój był związany z projektem „Lab-on-a-Molecule”, wspieranym przez Northpond Labs w ramach współpracy z Instytutem Wyssa. W pracach uczestniczyli między innymi Wesley Wong, Clinton Hansen i Mark Lipstein, a także badacze z innych ośrodków akademickich, w tym Uniwersytetu Fryderyka Aleksandra w Erlangen i Norymberdze.
Istotnym krokiem w kierunku komercjalizacji było udzielenie licencji na technologię nowo powstałemu startupowi, którego współzałożycielami są członkowie zespołu badawczego. Może to umożliwić dalszy rozwój platformy i jej dostosowanie do potrzeb przedsiębiorstw biotechnologicznych oraz farmaceutycznych.
Z perspektywy przemysłu szczególnie interesująca jest możliwość identyfikowania związków oddziałujących na cele molekularne, które dotychczas były trudne do badania przy użyciu konwencjonalnych metod przesiewowych. Jednocześnie praktyczna przydatność FIND w rutynowych procesach odkrywania leków będzie wymagała dalszej walidacji, w tym oceny powtarzalności wyników oraz możliwości zastosowania technologii do różnych klas białek i interakcji molekularnych.
Główne wnioski
- Naukowcy z Harvardu opracowali platformę FIND (Functional Interaction-based Nanoswitch Discovery), która wykorzystuje nanoprzełączniki DNA do identyfikowania cząsteczek zmieniających interakcje między białkami. Technologia umożliwia prowadzenie wielu eksperymentów równolegle w jednej próbce.
- Platformę FIND zastosowano do analizy biblioteki 400 milionów cząsteczek kodowanych DNA. Naukowcy zidentyfikowali związki wzmacniające interakcję receptora PPARγ z białkiem CBP. Wybrane substancje zwiększały również akumulację lipidów w hodowanych komórkach, co wskazuje na ich potencjalną aktywność biologiczną.
- Technologia wykazała przydatność również w badaniach nad SARS-CoV-2. Za jej pomocą odkryto nanociało modulujące interakcję białka kolca wirusa z receptorem komórek ludzkich. Dodatkowo platforma prawidłowo zidentyfikowała znany aktywator receptora beta-2-adrenergicznego.
- FIND może przyspieszyć wczesny etap odkrywania nowych leków, ponieważ pozwala wybierać kandydatów na podstawie ich wpływu na interakcje białko–białko, a nie wyłącznie zdolności wiązania z pojedynczym białkiem. Technologia została już licencjonowana startupowi, jednak jej zastosowanie w opracowywaniu terapii wymaga dalszych badań.
Źródło:
- https://wyss.harvard.edu/news/finding-new-drug-leads-faster-with-dna-nanotechnology/
