צוואר-בקבוק בגילוי תרופות הוסר בעזרת שיטה חדשה

חוקרים מאוניברסיטת סאן-דייגו פיתחו שיטה להפחתת הזמן הנדרש לקביעת מבנה החלבונים המתקבלים מתרכובות טבעיות מתקופה של חצי שנה עד שנה לתקופה של כיום אחד בלבד

קביעת המבנה המדויק של תרכובת-טבעית בלתי-ידועה הינה שלב איטי ויקר בניפוי ופיתוח של תרופות חדשות – אולם, מגבלה זו תוסר בעתיד הקרוב הודות לשילוב חדש של שיטות ניסיוניות וחישוביות שפותח באוניברסיטת סאן-דייגו בקליפורניה ואשר הוצג בכנס RECOMB 2008 בסינגפור.

חוקרים מאוניברסיטת סאן-דייגו פיתחו שיטה להפחתת הזמן הנדרש לקביעת מבנה החלבונים המתקבלים מתרכובות טבעיות מתקופה של חצי שנה עד שנה לתקופה של כיום אחד בלבד. התקדמות משמעותית זו תוכל לסייע לחוקרים בתחום גילוי התרופות – אשר נדרשים למידע רב ומהיר ככל האפשר בדבר תרכובות טבעיות בעלות תכונות רפואיות חשובות כגון פעילות כנגד חיידקים, נגיפים וטפילים אחרים הנבדקים על ידם.

על פי החוקרים, כיום מורכב, יקר וגוזל זמן רב לקבוע את המבנה המולקולארי של משפחה של תרכובות טבעיות הקרויות “חלבונים לא-ריבוזומאליים” (nonribosomal peptides, NRPs) הנבחנות באופן נמרץ לגילוי תכונותיהן הרפואיות. בכדי לסייע בסוגיה זו, החוקרים פיתחו שיטה מהירה, אוטומאטית וזולה לקביעת המבנה של חלבונים אלו באמצעות שיתוף פעולה חדשני בין מומחים לספקטרוסקופיית-מסות מביה”ס לרוקחות ובין מומחים לביואנפורמאטיקה ומדעי-המחשב מביה”ס להנדסה.

אם נתאר את מבנה החלבונים הללו כשרשרת חרוזים טבעתית, הרי שהשיטה החדשה יכולה לפענח הן את המסה המדויקת של כל אחד מהחרוזים הנפרדים בהתבסס על ספקטרוסקופיית מסות והן לקבוע את סדר החרוזים בתוך השרשרת – שתי פיסות מידע מכריעות לשם פענוח מבנה התרכובת ופעילותה הרפואית. בנוסף לגילוי תרופות חדשות וחקר תרכובות טבעיות, הכותבים טוענים כי מחקרם יוכל לסייע גם במאמציהם של מהנדסי ביוטכנולוגיה לתכנת-מחדש רצפים של אשריכיה קולי לשם הפיכתם למערך חלבונים מהסוג הנ”ל, עתה משיש לחוקרים שיטה מהירה לאפיון חלבונים מסוג זה. חלבונים כאלו, כדוגמת הפניצילין ותרכובות טבעיות אחרות, הינם שיאני ההצלחה בתעשיית התרופות – תשע מבין עשרים התרופות הנמכרות ביותר כיום הופקו מתרכובות טבעיות, אומרים החוקרים.

חלבונים מהסוג הזה התפתחו במשך מיליוני שנים ולרוב הם משמשים כהגנה כימית וגורמי-תקשורת פנימיים באורגניזמים השונים, המיוצרים בתוכם, כפי שמסביר אחד החוקרים. הקושי בקביעת המבנה של חלבונים אלו ידוע לשמצה וזאת מאחר ושיטות ההרצפה לחלבונים הרגילים לא עובדים במקרה הנ”ל. המבנה הטבעתי שלהם, הנוכחות של חומצות אמינו לא רגילות (שלא נמצאות במאגרי-המידע השכיחים) והעדר מידע מבני המצוי ישירות בדנ”א הגנומי (בשל אופים הבלתי-ריבוזומאלי של החלבונים), מהווים כולם יחדיו קשיים ייחודיים. עד היום החוקרים נדרשו להסתמך על שיטות איטיות, ידניות, יקרות ובעלות אמינות ירודה לשם פענוח המבנה של חלבונים אלו. “עבודה זו מסירה צוואר-בקבוק מטריד במיוחד בתחום גילוי התרופות של סוג זה של חומרים רפואיים,” אומר אחד החוקרים. “הדגמנו שיטה מהירה לאפיון חלבונים לא-ריבוזומאליים. השלב הבא שלנו הינו לחזור על הממצאים הללו בגילוי חלבונים חדשים בעלי חשיבות רפואית.”

החוקרים הראו כי ניתן לפרום את החלבונים הטבעתיים הללו לשרשראות פתוחות ואז לפרק את שרשראות הפפטידים המתקבלות לתת-יחידות קטנות יותר ויותר של הטבעת המקורית באמצעות שלבים מדורגים בספקטרומטר-מסות. גישה זו – המכונה “ספקטרומטריית מסות רב-שלבית” (multistage mass spectrometry) – אפשרה לחוקרים לאסוף מידע על משקליי תת-יחידות הטבעות ככל שיחידות אלו הלכו והתקצרו במסתן ורבו במספרן עם כל מחזור נוסף בספקטרומטר. אחד ממדעני-המחשוב שחברו לצוות המחקר פיתח אלגוריתם המאפשר לפענח את המידע המהימן הדרוש מתוך בליל התוצאות של הספקטרומטר. בשיטה זו “הודבקו” חזרה היחידות החופפות עד שדמו לסדרה של מבני טבעות מקוריות אפשריות, מסביר אחד החוקרים. האלגוריתם משתמש במידע של מסות היחידות השונות של החלבונים הנבדקים המתקבל בכל שלב ושלב.

עבודה זו הינה המשכה של גישה אוטומטית זוכת-פרס שבאנדרייה (Bandeira), החוקר הראשי, ועמיתיו השתמשו בכדי לשחזר חלבוני ארס של נחש. במאמרם, מסבירים החוקרים כיצד הם השתמשו בשיטת ההרצפה החדשה הזו בכדי לקבוע את המבנה של שני חלבונים לא-ריבוזומאליים שונים. לשם אישוש תוצאותיהם, החוקרים בחרו בחלבונים שכבר פוענחו בעבר בשיטה אחרת, איטית, מייגעת ויקרה תוך שימוש במכשיר NMR. מכשיר NMR (תמ”ג – תהודה מגנטית גרעינית) מאפשר קבלת מידע על מיקומו של אטום מסוים בתוך התרכובת תוך הסתמכות על תכונותיו המגנטיות של גרעין האטום. הצוות עובד כרגע על יותר מעשרה חלבונים נוספים והגיש בקשת-פטנט לשיטה זו.

להודעה של החוקרים