Исследователи Biodesign разработают новый конвейер реагентов для молекулярной медицины

Усилия Университета штата Аризона по созданию революционного класса реагентов, многообещающих для будущего медицины, получили значительное ускорение благодаря трёхлетнему гранту в $4 млн от Национальных институтов здравоохранения (NIH).

Учёные Джон Шапу и Джошуа ЛаБаер из Института Biodesign возглавят новую инициативу по созданию современного конвейера для генерации синтетических аффинных реагентов — «ДНК-синбоди». Цель — разработать автоматизированный конвейер для производства недорогих аффинных реагентов для всего человеческого протеома.

«Создание нового класса реагентов для распознавания всех белков нашего организма — следующая грандиозная задача молекулярной медицины», — говорит профессор Джон Шапу. «Большинство белков, кодируемых нашими генами, имеют неизвестные функции. Мы создаём синтетические аффинные реагенты для глобального изучения функций белков и их вклада в болезни».

«Белки — это "глаголы" биологии; они строят, модифицируют, разрушают, транспортируют, усиливают, регулируют и так далее», — отмечает Джошуа ЛаБаер, директор Центра персонализированной диагностики им. Вирджинии Г. Пайпер. «Большинство болезней — результат дисфункции белков, и почти все терапевтические средства нацелены на белки. Практически все наши методы изучения белков и их идентификации в качестве диагностических маркеров зависят от использования специфических аффинных реагентов».

Будущее медицины, по словам ЛаБаера, зависит от нашей способности отслеживать состояние здоровья человека с помощью персонализированной диагностики, точно измеряющей белки как индикаторы болезней (биомаркеры).

Преодоление ограничений антител

С 1970-х годов «золотым стандартом» являются моноклональные антитела. Однако их производят из генетически чистых клеток в организмах животных путём иммунизации — это дорогой и длительный процесс, занимающий месяцы. Одно антитело может стоить тысячи долларов, без гарантии высокого качества и стабильной работы. Несмотря на это, антитела представляют собой глобальный рынок молекулярной диагностики в $5 млрд.

Новая технология призвана преодолеть недостатки существующих методов, сосредоточившись на лёгких в сборке, дешёвых, качественных компонентах, которые можно массово производить и распространять по лабораториям мира.

«Научное сообщество хочет технологию, которая делает всё: быстрее, дешевле, лучше, и которую можно масштабировать», — говорит Шапу. «Наша идея — создать полностью автоматизированный конвейер аффинных реагентов с использованием робототехники для обнаружения связывающих белки пептидов».

Цель: киназы человека

Инновационный подход позволит выявить нужные аффинные реагенты из триллионов вариантов всего за один шаг. Первыми мишенями гранта станут человеческие киназы — важные сигнальные молекулы, участвующие во многих жизненно важных функциях клетки, а также в таких болезнях, как рак. Лаборатория ЛаБаера обладает одной из крупнейших коллекций человеческих киназ, курируя более 500 генов, и использовала эту библиотеку DNASU для поиска новых путей устойчивости рака к лекарствам.

«Киназы играют центральную роль в регуляции организма и влияют на множество болезней, поэтому с них логично было начать», — говорит ЛаБаер. «Но самое захватывающее — мы можем применить этот подход к любому белку, важному для здоровья человека. Наша лаборатория имеет коллекцию генов для производства 13 000 из 20 000 человеческих белков».

Амбициозная цель к концу периода финансирования — произвести более 4000 новых кандидатов в аффинные реагенты против 100 человеческих киназ, открыв новые горизонты для исследований рака.

Технология LINC

В основе технологии ДНК-синбоди лежит новая концепция использования двойной спирали ДНК в качестве каркаса. Шапу называет эту технологию сборки аббревиатурой LINC (ligand interactions by nucleotide conjugates). Этот запатентованный метод использует ДНК в качестве программируемого каркаса, на котором в определённых позициях размещаются пары пептидов.

«Мы конструируем эти молекулы в одной пробирке», — объясняет Шапу. «Наши ДНК-синбоди — уникальные реагенты, использующие короткую ДНК-основу для удержания пары специфических пептидов с заданным расстоянием и углом поворота».

Начиная с огромной пептидной библиотеки (более 1 триллиона кандидатов для каждой белковой мишени), Шапу быстро идентифицирует высокоаффинные пептиды в одном высокопроизводительном скрининге. «Для каждой мишени мы получаем 10 хороших пептидов, из которых выбираем 4 для дальнейшего изучения».

Затем с помощью метода LINC тестируются парные комбинации всех четырёх пептидов на ДНК-спирали. Этот процесс планируется автоматизировать с помощью робототехники в лаборатории ЛаБаера.

С помощью жидкостных дозаторов один пептид присоединяется к концу одной цепи ДНК, а второй пептид размещается в 10 разных позициях на наборе комплементарных цепей. Цепочки соединяются в двойную спираль, демонстрирующую два пептида с заданным расстоянием и геометрией. Затем исследователи ищут среди комбинаций синбоди, которые связываются с белком-мишенью с высокой аффинностью.

«Насколько нам известно, ни одна другая технология аффинных реагентов не способна производить тысячи кандидатов в синбоди», — заявляет Шапу.

Уже созданы ДНК-синбоди, которые распознают и связывают белки лучше, чем коммерчески доступные антитела. В случае успеха команда не только предоставит новые инструменты для протеомных исследований, но и устранит проблемы контроля качества, присущие нынешнему «золотому стандарту» — моноклональным антителам.