Упрощённый лабораторный метод позволяет получать мощные нервно-блокирующие молекулы из моллюсков

Химики давно интересуются и одновременно разочарованы сакситоксином: молекулой, вызывающей временный паралич, блокируя электрические сигналы, которые нервные клетки (нейроны) используют для активации мышц. Он накапливается в моллюсках, таких как мидии, устрицы и гребешки.

Хотя механизм действия сакситоксина вызывает интерес для разработки новых анестетиков, его извлечение из природных источников не масштабируемо и непрактично. С момента открытия молекула не поддавалась практическому лабораторному синтезу, что замедляло создание долгодействующих, высокоселективных обезболивающих терапий, вдохновлённых её механизмом.

Теперь учёные из Scripps Research в сотрудничестве с Merck сообщают об оптимизированном подходе к синтезу сакситоксина и родственных молекул (аналогов) в лаборатории. Они объединили синтетический химический маршрут с инженерным ферментом, чтобы получить молекулу менее чем за 10 стадий, по сравнению с 11–21 в предыдущих подходах.

Сокращение общего числа стадий — это значительный прогресс в синтезе, так как каждая стадия обычно снижает выход, увеличивая стоимость и время; более короткий путь позволяет получить гораздо больше материала с гораздо меньшими ресурсами.

Опубликованная в Nature тактика исследовательской группы опирается на два метода. Первый — радикальное кросс-сочетание: техника, использующая высокореактивные молекулярные фрагменты, называемые радикалами, для образования связей, которые трудно или даже невозможно создать с помощью традиционных реакций.

Второй метод — биокатализ, когда ферменты — белки, ускоряющие реакции — проводят химические стадии, которые в противном случае были бы трудны.

«В прошлом химики были ограничены дорогими, трудоёмкими стратегиями, которые давали лишь крошечные количества сакситоксина — но теперь один студент в лаборатории может сделать один грамм за неделю», — говорит соавтор-корреспондент профессор Фил Баран. — «Если один человек может это сделать, фармацевтические компании с партией химиков могли бы легко производить килограммы».

Однако одного обилия поставок недостаточно, чтобы молекула стала подходящей терапией.

«Сам сакситоксин слишком сильнодействующий, чтобы использовать его напрямую», — объясняет Баран. — «Нужны аналоги, которые действуют только на нервные пути, вовлечённые в боль».

Химически сакситоксин принадлежит к семейству богатых гетероатомами природных продуктов: молекул с необычной структурой и сложными химическими связями.

Более ранние синтезы часто растягивались более чем на дюжину стадий, требовали специализированных исходных материалов и давали миллиграммовые количества. Для учёных, желающих изучать натриевые каналы — белковые мишени сакситоксина, регулирующие электрические сигналы в нейронах и мышечных клетках — это было серьёзным препятствием.

Новая платформа решает такие проблемы. Сначала исследовательская группа сконструировала грибной фермент для производства больших количеств гидроксипролина, простой аминокислотной производной, которая служит ключевой отправной точкой для синтеза.

Затем они использовали радикальное кросс-сочетание, чтобы соединить две распространённые аминокислоты, доступные у коммерческих поставщиков. Эта стратегия сократила синтетическую последовательность и создала возможности для построения новых аналогов сакситоксина.

Тот же метод радикального кросс-сочетания, использованный здесь, возник из более ранней работы с участием лаборатории Барана и Pfizer и позже был применён при разработке противовирусного препарата от COVID-19 Paxlovid.

Результаты текущей работы также основываются на публикации 2024 года в Science из лаборатории Барана, демонстрирующей, как биокатализ в паре с радикальным кросс-сочетанием может упростить построение сложных, имеющих медицинское значение молекул. С этой основой на месте следующим препятствием стало выполнение синтеза.

Значительная часть усилий по синтезу для недавнего исследования легла на Иихэн (Анну) Ли, докторанта в лаборатории Барана и соавтора статьи.

«Самая полезная часть заключалась в решении давних синтетических проблем для сложных природных продуктов», — говорит Ли. — «Благодаря высоко коллаборативной культуре Scripps Research мы смогли быстро превратить этот успех в функциональное биологическое понимание».

Чтобы оценить биологическую функцию синтетического сакситоксина и его аналогов, команда сотрудничала с профессором Марисой Роберто, соавтором-корреспондентом исследования.

Биологические тесты подтвердили, что лабораторные молекулы ведут себя как ожидалось, предоставляя инструменты для будущих исследований, связанных с натриевыми каналами. Дисфункция этих белков связана с хронической болью, эпилепсией и другими неврологическими состояниями.

«Мы протестировали биологическую активность новых соединений, родственных сакситоксину, на нейронах и обнаружили, что они быстро блокируют критически важные натриевые каналы, снижая электрическую активность нейронов», — говорит Роберто. — «Определяя, какие соединения биологически активны, мы порождаем новые исследовательские вопросы, которые могут привести к важным клиническим последствиям».

Это исследование не только подтвердило, как эти синтетические молекулы действуют в нейронах, но и достигло первого полного синтеза неосакситоксина — природного аналога сакситоксина, который изучался в клинических исследованиях как потенциальный местный анестетик. Достижение надёжного лабораторного доступа к этой и подобным молекулам устраняет зависимость от скудных природных источников.

Помимо сакситоксина, новая платформа предлагает обобщаемую точку входа для изучения подобных сложных молекул. Однако дальнейший прогресс во многом будет зависеть от финансовой поддержки и коллективных усилий.

«Мы рады делиться материалом и открыты для сотрудничества», — говорит Баран. — «В конечном счёте, эта работа обеспечивает демократизированный доступ к любому аналогу сакситоксина, который другие исследователи могут захотеть изучить для терапевтического применения».