Molekularne klatki – nowa metoda dostarczania leków

Biochemicy z UCLA (Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles) zaprojektowali wyspecjalizowane białka, które gromadzą się i tworzą małe klatki molekularne, setki razy mniejsze niż rozmiar pojedynczej komórki. Stworzenie tych miniaturowych budowli może być pierwszym krokiem w kierunku rozwoju nowych metod dostarczania leków, a nawet projektowania sztucznych szczepionek.

Molekularne klatki – nowa metoda dostarczania leków

Rys. 1 Klatka molekularna, prawa autorskie: Todd Yeates, Yen-Ting Lai/UCLA Chemistry and Biochemistry

„Jest to pierwsza demonstracja sposobu, który może być używany do łączenia molekuł białka w celu utworzenia całego szeregu materiałów w skali nano”, mówi Todd Yeates, profesor chemii i biochemii UCLA oraz członek UCLA-DOE Instytutu Genomiki i Proteomiki oraz Kalifornijskiego Instytutu Nanosystemów na Uniwersytecie Kalifornijskim.

Opublikowane w czasopiśmie Science [1] badania mogą być wykorzystane do konstrukcji klatki z dowolnej liczby różnych białek, co znajduje potencjalne zastosowanie w medycynie i biologii molekularnej.

Yen-Ting Lai, student UCLA i główny autor badania, użył modelowania komputerowego do identyfikacji dwóch białek, które mogłyby się łączyć i tworzyć idealnie ukształtowane trójwymiarowe puzzle. Dwanaście z takich wyspecjalizowanych struktur pasuje do siebie idealnie, tworząc klatkę molekularną o wielkości zaledwie ułamka wirusa.

„Jeśli po prostu połączymy dwa losowe białka razem, można spodziewać się otrzymania nieregularnej sieci”, mówi Yeates, główny autor badania. „W celu kontroli geometrii należało utworzyć sztywne połączenia utrzymujące dwa białka na miejscu, jak gdyby stanowiły one części puzzli. Te specjalnie zaprojektowane białka zazębiają się, tworząc pustą siatkę, która może działać jako naczynie do podawania leków”.

„Na zewnątrz klatki można umieścić sekwencje zdolne do rozpoznawania komórek nowotworowych. Wewnątrz struktury znajdowałaby się natomiast toksyna lub inna, agresywnie działająca substancja”, dodaje Yeates. „Dzięki temu, lek może być dostarczany bezpośrednio do odpowiednich miejsc, takich jak komórki rakowe”.

„Na tym etapie, otrzymane klatki białkowe są na tyle porowate, że lek umieszczony wewnątrz może opuszczać je podczas procesu dostarczania”, mówi Lai. Jego następny projekt będzie obejmować budowę nowej klatki molekularnej z wnętrzem, które będzie lepiej uszczelnione.

Innym zastosowaniem dla takich struktur białkowych mogą być sztuczne szczepionki. Niektóre tradycyjne szczepionki używają nieaktywnych powierzchni białkowych z wirusa, aby oszukać układ odpornościowy organizmu, że jest atakowany. Sposób ten nie zawsze jest skuteczny, gdyż czasami białko, o którym mowa, nie jest na tyle podobne do wirusa, by móc wywołać silną odpowiedź ze strony „obrońców” organizmu. Jednakże, poprzez dekorowanie powierzchni molekularnej klatki segmentami białek pochodzącymi z wirusów, te drobne struktury mogłyby lepiej naśladować wirus, stymulując odpowiedź immunologiczną, silniejszą niż tradycyjne szczepionki i zapewniającą lepszą ochronę organizmu ludzkiego przed chorobą.

„Zanim te białkowe struktury mogłyby być stosowane w medycynie, molekularne „pojemniki” muszą być wykonane z protein podobnych do ludzkich, zamiast aktualnie stosowanych białek bakteryjnych, które mogą być bezpośrednio usuwane z obiegu krwi przez organizm ludzki”, wspomina Yeates.

„Naszym pierwszym wyzwaniem będzie powtórzenie tego rodzaju projektów z cząsteczkami, które są mniej prawdopodobne do wywoływania odpowiedzi immunologicznej. Generalnie chcemy wykorzystać białka, które wyglądają jak ludzkie, aby organizm nie rozpoznawał ich jako obce.”

Idea budowy złożonych, samo tworzących się struktur białkowych jest ambicją Yeates’a odkąd opublikował wyniki przedstawiające wstępne prace nad tą metodą w 2001 roku, jednak koncepcja była odkładana na bok przez 10 lat, aż Yen-Ting Lai dołączył do zespołu badawczego Yeates’a. „Z trzema stopniami magistra – w biologii strukturalnej, bioinformatyki i inżynierii biomedycznej – Lai posiadał właściwą kombinację umiejętności, by doprowadzić badania do skutku”, Yeates powiedział.

Drugi przełom

Drugie badania, których współautorem jest Yeates, ukazują podobnie zaprojektowane klatki molekularne przy użyciu wielu kopii tego samego białka stanowiące „klocki”. Naukowcy kontrolują kształt klatki poprzez obliczanie sekwencji aminokwasów niezbędnych do połączenia się białek pod odpowiednimi kątami. Badania te są wynikiem współpracy pomiędzy zespołem UCLA i profesorem David’em Baker’em z Uniwersytetu w Waszyngtonie.

„Ten alternatywny sposób przedstawia bardziej uniwersalne podejście, ponieważ do utworzenia struktury wymaga on tylko jednego rodzaju białka”, mówi Yeates. Opracowanie różnego rodzaju powiązań między identycznymi białkami stanowi kardynalne wyzwanie. Główny autor badań Neil King, dr hab. na Uniwersytecie w Waszyngtonie i dawny student Yeates’a, testował wiele generowanych komputerowo kombinacji i sprawdził eksperymentalnie każdą wersję, aż znalazł tę, która wykazywała odpowiednie zachowanie.

  1. Y.-T. Lai, D. Cascio, T. O. Yeates. Structure of a 16-nm Cage Designed by Using Protein Oligomers.Science, 2012; 336 (6085): 1129. DOI:10.1126/science.1219351
  2. http://www.sciencedaily.com/releases/2012/05/120531145720.htm

Opracowała: Agnieszka Krawczyk

Korekta: Ilona Sadok

Bookmark the permalink.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *


*