Labori Valmistatud "miniproteiinid" Võivad Blokeerida Koronaviiruse Nakatavaid Rakke

Sünteetilised peptiidid, mis jäljendavad inimese antikehi COVID-19 suhtes, võivad olla odavamad ja neid on lihtsam toota.

Samal ajal kui maailm ootab COVID-19 vaktsiini, on paljud teadlased keskendunud tõhusate ravimite väljatöötamisele, mida saab kiiresti ja odavalt kasutusele võtta. Monoklonaalsed antikehad - potentsiaalselt paljulubav laboratoorselt toodetud teraapia, mis on modelleeritud taastuvate patsientide verest eraldatud antikehade põhjal hiljuti, kui president Trump sai ettevõtte Regeneron valmistatud veel kinnitamata antikehakokteili. Ja farmaatsiahiiglane Eli Lilly teatas hiljuti, et selle monoklonaalsed antikehad vähendasid väikeses kliinilises uuringus haiglaravi riski 300 inimesel, kellel olid kerged või mõõdukad COVID-19 sümptomid.

Kuid Washingtoni Ülikooli valgudisaini instituudi biokeemik David Baker ja tema kolleegid arvavad, et nad suudavad veelgi paremat teraapiat luua. Nad on välja töötanud sünteetilise peptiidi - lühikese aminohapete ahela, valkude ehitusplokid - 20 korda väiksemad kui monoklonaalsed antikehad, mis on loodud seonduma kurikuulsa “piigi” valguga SARS-CoV-2 viiruse pinnal. osake. See blokeeriks viiruse otsese seondumise inimrakkude ACE-2 retseptoritega, toimides sarnaselt nakatunud inimese immuunsüsteemi toodetud antikehaga. Baker ja tema kolleegid kirjeldasid neid miniproteiini inhibiitoreid septembris ajakirjas Science. Kuigi uuringus katsetati neid sünteetilisi valke laboris ainult viirusosakeste segamisel ahvirakkudega in vitro, ütleb ta, et avaldamata andmed näitavad, et nad suudavad hiiri ja hamstreid kaitsta SARS-CoV-2 nakkuse eest.

"Ehitasime need [pisikesed valgud] nullist lähtudes" esimestest põhimõtetest ", kasutades arvuteid, et modelleerida teoreetilise valgu kõiki biokeemilisi üksikasju, mis võivad viiruse külge jääda," selgitab Baker, kellele anti digitaalse disaini loomiseks rohkem kui kaks miljonit kandidaatminiproteiini kandideerisid andmed algoritmide abil, sõelusid välja 118 000 kandidaatgeeni, mis neid valke kodeerivad, valmistasid valgud nullist ja testisid neid otse viiruse vastu laboratoorsetes uuringutes, leides, et seitse kujundust suudavad tõhusalt seonduda ja seeläbi viirus välja lülitada.

3,5 miljardi aasta jooksul on evolutsioon andnud uskumatu hulga valke ja peptiide. Viimastel aastatel on biokeemikud jälitanud ja kasutanud mõnda neist uute ravimite loomiseks, näiteks trombotsüütidevastane ravim Eptifibatiid, mida manustatakse südameatakkide ennetamiseks ja mille toimeaine ekstraheeritakse lõunakääbuse lõgismadu mürgist. Valgujärjestuste ja õppevahendite veebihoidla Protein Data Bank sisaldab aminohappejärjestusi ja täielikke 3D-struktuure enam kui 160 000 peptiidi ja valgu jaoks, kuid loodusmaailm sisaldab sadu miljoneid valke.

"Looduses on väga keeruline avastada peptiidi, mis teeb täpselt seda, mida soovite," selgitab Gaurav Bhardwaj, samuti valgudisaini instituudi biokeemik, kuid kes ei osalenud teaduse uuringus. Ta üritab kujundada eritellimusel valmistatud peptiidi, mis takistaks SARS-CoV-2 paljunemist inimrakkudes. "Nüüd saame arvutuslikult uurida peptiidi võimalikke kujunduskonfiguratsioone, et täita täpselt soovitud funktsioone."

Iga valgu funktsioon sõltub selle struktuurist. Koostoimed valgu aminohapete aatomite vahel põhjustavad nende ahelate vähem kui sekundi jooksul iseennast kokkukeerumist keerukaks spiraalide ja voldikute kogumiks. Aminohapete ahela kasvades virnastuvad need heeliksid ja lainelised lehed üksteise peale ja ümber peadpööritavalt keeruliseks voltide jadaks ja just need voldid annavad valkudele nende kuju ja funktsiooni. Kuid selle välja selgitamine, kuidas üks aminohappejärjestus muutub konkreetseks voldiks, on olnud piinavalt keeruline ülesanne ja alles 1990. aastatel - pidevalt laieneva valguteabe andmebaaside abil - said teadlased hakata järjestust moodustama.

"Me võime valmistada täiesti uusi valke, mida pole kunagi looduses nähtud, sest me mõistame nüüd valkude voltimise olemust," ütleb Baker. "Meie võime kasutada arvuteid" de novo "valkude kujundamiseks on tõepoolest tulnud omaette alles viimastel aastatel - me ei oleks võib-olla suutnud ennast rakendada COVID-19-le, kui pandeemia oleks juhtunud viis aastat tagasi."

Seda tööd on toetanud paljud organisatsioonid, sealhulgas Gatesi fond, Avatud Filantroopia Fond ja viimati ka Läbimurde auhinna komisjon. Ehkki SARS-CoV-2 monoklonaalsed antikehad on juba kliinilistes uuringutes, on Bakeri sõnul tema miniproteiini inhibiitoritel veelgi suurem potentsiaal pandeemia vastu võitlemiseks, kuna need on 20 korda väiksemad ja seega oleks neid odavam toota kiiresti ja järjepidevalt.

Sünteetilistel peptiididel on tohutu potentsiaal odavalt suurendada, et toota tugevat ja eritellimusel valmistatud ravi, ütleb Sarel Fleishman Iisraeli Weizmanni teaduse instituudist, kes ei osalenud uuringus. Kuid nad on endiselt kaardistamata territooriumil, pannes nad ravi pärast ebasoodsasse olukorda, ütleb ta. "Monoklonaalsete antikehade ravi peamine eelis on see, et nad on täiesti" inimesed ", see tähendab, et nad sobivad juba meie immuunsüsteemiga. Seega on neil palju väiksem risk kui sünteetilistel valkudel,”ütleb ta. Monoklonaalsete antikehade puhul on regulatiivsete tõkete ületamine palju lihtsam, ütleb ta, sest regulaatorid saavad uue ja tõestamata tehnoloogiaga juba aru, millega nad tegelevad.

Kuigi sünteetilistel peptiididel on tohutu potentsiaal, peame olema liiga optimistlike suhtes ettevaatlikud, lisab biokeemik Erik Procko Illinoisi ülikoolist, kes töötas Bakeri meeskonnas järeldoktorina, kuid ei olnud selle konkreetse uuringu osa. "Miniproteiinide farmakokineetika" - viisid, kuidas inimkeha saab neid metaboliseerida, imada ja väljutada, - on takistuseks nende kasulikkusele ravimitena, "ütleb Procko. “Eli Lily antikeharavim püsib kehas kuu aega; väikesele kavandatud miniproteiinile on keeruline, et see vastaks selle stabiilsusele veres.”

Baker tunnistab, et nii Fleishman kui ka Procko on õiged: "meie miniproteiinid peavad läbima sama kliiniliste uuringute kontrolli kui monoklonaalsed antikehad," ütleb ta, "kuigi tasub märkida, et FDA-l nagu reguleerivatel asutustel on ulatuslik kogemus igasuguste ravimite ja ravimeetodite kohta.”

Nii Procko kui ka Baker märgivad, et miniproteiine tuleb suure tõenäosusega sisse hingates manustada otse kopsudesse. San Francisco California ülikooli teadlased on välja töötanud just sellise aerosoolvormi. AeroNabsi-nimelist tehnoloogiat manustatakse inhalaatori või ninasprei abil. Umbes kolm korda suurem kui Bakeri miniproteiinid, on U. C. S. F. ühed on modelleeritud loomade immuunsüsteemis, näiteks laamades, leiduvate “nanokeha” osakeste järgi ja toimivad sarnaselt: nad seonduvad SARS-CoV-2 piigi valguga ja takistavad selle sulandumist inimese rakkudel asuva ACE-2 retseptoriga.

"Monoklonaalsed antikehad ei jõua tõenäoliselt süstitava ravimina manustamisel kopsude hingamisteedesse," selgitab Aashish Manglik USA-st, AeroNabsi välja töötanud meeskonnast. Ta ja tema kolleegid kirjeldasid oma uuendust augustis eetritrükiste andmebaasis bioRxiv. Vaid 2 protsenti vereringesse süstitud monoklonaalsetest antikehadest jõuab kopsuruumidesse - kopsupiirkondadesse, mille kaudu viirus enamikesse inimestesse siseneb, kuid aerosooli kaudu manustatud ravim suudaks nendesse õhukottidesse jõuda ja võiks seega olla nii terapeutiline kui ka profülaktiline, ütleb Manglik. "Meie arvates on see kasulik patsientide puhul, kes on nakkuse varajases staadiumis, või inimestega, kellel on suur nakkusoht, näiteks rinde ja tervishoiutöötajad," ütleb ta. "Kuid tehnilisest vaatenurgast on see, mida Baker on suutnud kõik tulevikuväliselt kujundada ja mitte looduses olemasolevale struktuurile tuginedes, lihtsalt fenomenaalne. See on valguteaduse põnev aeg.”.

Beat Christen Zürichi molekulaarse süsteemibioloogia instituudist, kes ei osalenud Bakeri ega Mangliku uurimistöös, nõustub, et see on põnev aeg. "Sünteetiline bioloogia areneb vaktsiinide ja ravivahendite väljatöötamisel väga kiiresti - väga lühikese aja jooksul oleme näinud palju asju esiplaanile tõstetud ja ärimaailm reageerib paljude spinoffide ja idufirmadega, kes on selles valdkonnas pöördunud," ütleb ta..

Ettevõtete huvi suurenemisega võib aga kaasneda üldsuse usalduse vähenemine, nagu juhtus geneetiliselt muundatud toidu puhul kaks aastakümmet tagasi. Seda tehnoloogiat peeti suures osas kulukaks ja mittevajalikuks, mille taga olid pigem ettevõtete kasumimotiivid kui avalik vajadus. Sünteetilised peptiidid - paljud täiesti "ebaloomulikud" ja "pole kunagi varem maa peal näinud" - risk langevad samasse lõksu.

"Kuid COVID-19-ga on inimkonna ees selge ja suur väljakutse," ütleb Christen, "ja kui sünteetiline bioloogia saab aidata uute lahenduste ja uute ravimeetoditega, näevad inimesed hõlpsasti selle vajadust."

Koroonaviiruse puhangu kohta lugege lähemalt siit Scientific American. Ja lugege meie rahvusvahelise ajakirjade võrgustiku kajastusi siit.