Aptamery

Hamilton poruszył temat projektowania leków. To dobra okazja by napisać coś o mojej wielkiej intelektualnej pasji. Zdarza się w życiu napotkać temat, który staje się konikiem. W moim przypadku takim tematem są ryboprzełączniki (riboswitches) i wykorzystanie aptamerów w biotechnologii.

Aby wytłumaczyć czym są riboswitch’e muszę zacząć od podstaw, szybko i prosto jak dla dzieci. Przepływ informacji w komórce przedstawiany jest następująco. W jadrze komórkowym w postaci podwójnej nici DNA zapisane są plany konstrukcji białek. Sekwencja DNA przepisywana jest na podobne mu, ale jednoniciowe mRNA (transkrypcja) i w tej formie trafia do rybosomów, gdzie stanowi instrukcję składania białek z aminokwasów (translacja). Niektóre białka pełnią funkcje receptorów, inne przekazują sygnały wewnątrz komórki, a jeszcze inne regulują, które z zakodowanych genów będą odczytane w reakcji na bodziec. Takim bodźcem może być substancja produkowana w komórce np. witamina. Gdy zawartość witaminy rośnie, pewne białka odbierają to jako sygnał i przekazują informacje do jadra komórkowego, by zahamować transkrypcje. Powstanie wtedy mniej RNA, mniej enzymów syntetyzujących daną substancję, a w konsekwencji jej ilość spada do właściwego poziomu. To prawie dogmat.

Niedawno odkryto głównie w bakteriach oraz w kilku organizmach wyższych, istnienie regulacji „na skróty” w stosunku do opisanej powyżej. Substancja, aminokwas lub witamina itp., wpływa bezpośrednio (hamując lub pobudzając translację) na mRNA na którym zapisana jest instrukcja budowy enzymu syntezy tej substancji. Tak działa właśnie ryboprzełącznik (riboswitch). Niesamowitym odkryciem jest właśnie to, że mRNA, o którym myślano, że przenosi tylko plany budowlane, jest zdolne do regulowania ich wykonania.  

Riboswitch składa się z części wykonawczej/regulującej oraz receptorowej (aptameru). Wyobraźcie sobie kawałek miękkiego miedzianego drutu, zwiniętego, pogniecionego w kłębek. Utworzą się pętelki, które będą pasowały do/na śrubkę. Inna osoba z podobnego odcinka drutu, utworzy kłębek psujący do nakrętki, a jeszcze inna do czegoś zupełnie innego. Materiał na kłębki jest w każdym przypadku ten sam – „miedziany drut” czyli RNA (kwas rybonukleinowy). Dopasowanie kłębka powoduje powstanie naprężeń i odkształceń, co jest informacją dla części regulującej o sposobie odczytania informacji. Natura wytworzyła kilkanaście (znanych do tej pory) kłębków z RNA - riboswitch'ów - mogących wiązać inne małe substancje np. witaminy.

Od 1990 znana jest metoda hodowli in vitro aptamerów – RNA wiążącego inne substancje – i to nie tylko do małych molekuł. Można wyhodować aptamer wiążący się do białek. Miedzy innymi wymyślono, że apatamer na białka wirusa HIV można by użyć jako substancję w terapii infekcji wirusem. Otrzymano aptamery inaktywujące wirusowy enzym. Problemem aptamerów jest ich mała trwałość, immunogenność i skomplikowana synteza, inaczej mówiąc słabo nadają się na powszechny lek.

Byłem słuchaczem seminarium, na którym przedstawiono trochę inną metodę wykorzystania aptamerów przeciw HIV. Przeprowadzono hodowlę-ewolucję aptameru. Wynik zaskakujący: znaleziono nowe miejsce czułe w wirusowym enzymie. Aptamer związany z enzymem w tym miejscu, całkowicie hamuje aktywność enzymatyczną. Wprowadzono modyfikacje do aptameru, które skutkowały tym, że gdy był wolny fluoryzował, a po związaniu się z enzymem wirusa HIV wygaszał świecenie. Tak powstał system do testowania tzw. bibliotek chemicznych. W probówkach mieszano różne substancje z biblioteki chemicznej z enzymem zablokowanym aptamerem. Przetestowano ponad 10.000 substancji. Trzy z nich sprawiły, że mieszanina świeciła w ultrafiolecie, co oznaczało lepsze wiązanie substancji chemicznej niż aptameru do danego „czułego” miejsca. Aptamer został wypchnięty przez lepiej dopasowaną substancję. Te substancje to podstawa do dalszej pracy nad skutecznym lekiem na HIV. Na tym etapie przydaje się znajomość struktury enzymu wirusa i potencjalnego leku, oraz obliczenia komputerowe w jaki sposób modyfikować potencjalny lek, by wykazał najsilniejsze działanie. Dopiero potem wysłać zamówienie do chemików na ten molekułę, która może okazać się lekiem.

Do czego jeszcze przydadzą się aptamery? Trudno przewidzieć, ale już teraz istnieją aptamery skierowane przeciw małym molekułom, antybiotykom, alergenom, hormonom, wirusom i ich białkom, a nawet pasożytom. Nie tylko terapia, ale przede wszystkim szybka i wygodna diagnostyka.

Zdaje sobie sprawę z tego, że tekst trudny, a temat „po łebkach”, ale jeśli kogoś zainteresuje to co napisałem, mogę napisać następnym razem coś więcej. Czy coś co tu napisałem jest mało zrozumiałe i niejasno opisane? Czekam na odpowiedzi, bo jak jeśli nie w ogniu wykuwa się dobre narzędzia.