Воссоздание дарвиновской эволюции лигандов в пробирке
Ученые из Университета Флориды и Фонда прикладной молекулярной эволюи воспроизвели дарвиновские процессы in vitro, чтобы преодолеть ограничения химической теории в дизайне молекул, способных связываться с мишенями.
Ключевая технология: SELEX с искусственной генетической системой
Метод основан на SELEX (систематической эволюции лигандов экспоненциальным обогащением), который извлекает связывающие нуклеиновые кислоты из библиотек ДНК/РНК. Однако природные ДНК/РНК, состоящие всего из четырех нуклеотидов, часто дают слабые связывающие молекулы. Ученые использовали искусственно расширенную генетическую информационную систему (AEGIS), добавив дополнительные строительные блоки ДНК/РНК. Это позволило впервые успешно провести SELEX с AEGIS и получить молекулу, связывающуюся с раковыми клетками.
Преодоление вызовов
Профессор Стивен А. Беннер выделил основные задачи:
- Создание инструментов для AEGIS: Потребовалось разработать химические конвейеры для синтеза компонентов AEGIS в многограммовых масштабах, ДНК- и РНК-полимеразы для работы с этими компонентами, а также методы секвенирования AEGIS-ДНК.
- Комбинация подходов: Современная химическая теория хорошо справляется с "грубым" дизайном (например, для создания дополнительных нуклеотидов AEGIS), но не может точно предсказать энергию связывания. Дарвиновская эволюция, напротив, не способна на "большой дизайн", но отлично подходит для тонкой настройки. Работа демонстрирует успешное сочетание этих подходов.
Почему стандартные аптамеры уступают белкам?
Аптамеры (олигонуклеотиды, связывающие мишень) на основе стандартных нуклеотидов (G, A, C, T/U) не могут соперничать с белками (включая антитела) по разнообразию и силе связывания, так как белки построены из 20 различных аминокислот с широким спектром химических функций. Лучшие аптамеры имеют наномолярные константы диссоциации (Kd) для мишеней, имеющих естественное сродство к нуклеиновым кислотам (например, 2 нМ для нуклеокапсидного белка ВИЧ). Однако для малых молекул аффинность часто оказывается в микромолярном диапазоне (например, Kd для АТФ — 3.3 мкМ).
Улучшение за счет дополнительных функциональных групп
Попытки добавить функциональность к стандартным нуклеотидам уже показали успех:
- Группа профессора Дэвида Перрина создала ДНК, где каждый стандартный строительный блок нёс разную функциональную группу, что улучшило каталитическую мощность ДНКзимов.
- Компания SomaLogic модифицирует пиримидины различными группами, создавая SOMAmers (медленно диссоциирующие модифицированные аптамеры), которые могут детектировать ~800 различных человеческих белков с аффинностью в диапазоне 0.1 пМ – 1 мкМ.
Будущее развитие
Ученые работают над:
- Штаммами E. coli, способными размножать плазмиды, содержащие ДНК с парой GACTZP.
- Технологией прямого секвенирования одиночных молекул с парой Z:P.
- Полимеразами с более высокой точностью и эффективностью.
Значение для медицины
Связывание молекул лежит в основе медицины: от создания лекарств и диагностики до фундаментальных исследований. AEGIS-SELEX рассматривается как потенциальная технология для быстрого, надежного и недорогого получения связывающих молекул и катализаторов по запросу для любой заданной мишени.