Χιλιάδες μεταλλάξεις ενζύμων «στο μικροσκόπιο» ενός τσιπ

Προοπτικές για την ανάπτυξη θεραπειών που μέχρι σήμερα αποφεύγονται επειδή η ασθένεια προκαλείται από κάποιο ένζυμο που μοιάζει στη δομή του με ένα άλλο, υγιές, δίνει η εξαετής έρευνα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ της Καλιφόρνιας.

Σε σχετική μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science, η βιομηχανικός Πόλυ Φόρνταϊς και ο βιοχημικός Ντάνιελ Χέρσλαγκ και οι συνεργάτες τους από το Στάνφορντ, ανέπτυξαν μια μέθοδο για την αναγνώριση και επεξεργασία ενζύμων που φέρουν μεταλλάξεις, σε ένα μόνο τσιπ από γυαλί, αξίας μόλις δέκα δολαρίων και μεγέθους μόλις επτά τετραγωνικών εκατοστών.

Η διαπίστωση για το πώς λειτουργεί μια πρωτεΐνη ή ένα ένζυμο και η κατανόηση του πώς οι γενετικές μεταλλάξεις επηρεάζουν αυτά τα θεμελιώδη για τη ζωή μόρια, μπορεί να πάρει χρόνια. Οι ερευνητές πρέπει να αλλάζουν εκατοντάδες δομικά στοιχεία αμινοξέων του υπό διερεύνηση μορίου, ένα προς ένα, να παράγουν κάθε μεταλλαγμένο ένζυμο στο εργαστήριο και να δοκιμάζουν πώς η κάθε μετάλλαξη επηρεάζει την ικανότητα του ενζύμου να εκτελεί τη δουλειά του.

Τώρα, το παραπάνω γυάλινο τσιπ, χαραγμένο με μικροσκοπικά κανάλια, θα μπορούσε να μειώσει αυτόν τον χρόνο σε λίγες ώρες επιτρέποντας στους ερευνητές να ελέγχουν περισσότερες από 1.000 μεταλλάξεις κάθε φορά.

Το νέο σύστημα, που ονομάζεται Κινητική Μικρόρευστων Ενζύμων Υψηλής Απόδοσης (HT-MEK), θα μπορούσε να προσφέρει έναν γρηγορότερο τρόπο στους επιστήμονες να μελετήσουν πρωτεΐνες που προκαλούν ασθένειες, να αναπτύξουν ένζυμα που διασπούν τις τοξίνες του περιβάλλοντος και να κατανοήσουν την εξελικτική σχέση μεταξύ των ειδών.

Το τσιπ περιέχει 1.568 μικροσκοπικές κοιλότητες, που η καθεμία μπορεί να χωρέσει μια μεταλλαγμένη εκδοχή του ενζύμου και ένα σύστημα μικρορευστών που παρέχει αντιδραστήρια σε όλα τα μεταλλαγμένα ένζυμα ταυτόχρονα.

Το σύστημα δοκιμάστηκε με ένα βακτηριακό ένζυμο που ονομάζεται PafA και συμμετέχει στην τροποποίηση άλλων πρωτεϊνών.

Οι ερευνητές δημιούργησαν μια «βιβλιοθήκη» διαφορετικών μεταλλαγμένων ενζύμων, αλλάζοντας κάθε ένα από τα 526 αμινοξέα της PafA με ένα διαφορετικό αμινοξύ. Ένα ρομπότ τοποθέτησε το κάθε μεταλλαγμένο ένζυμο σε μία από τις κοιλότητες του τσιπ και τροφοδότησε τα μεταλλαγμένα ένζυμα με ρευστά αντιδραστήρια που επέτρεψαν την παραγωγή πρωτεϊνών. Στη συνέχεια προστέθηκε μια χημική ουσία που εκπέμπει φως το PafA την επεξεργάζεται. Ένα σκάνερ μέτρησε την ποσότητα φωτός που εκπέμπεται από τη χημική ουσία: οι μεταλλάξεις που έκαναν το PafA λιγότερο αποτελεσματικό έκαναν το ένζυμο να παράγει λιγότερο φως.

Η πλατφόρμα αυτή, επέτρεψε μάλιστα στους ερευνητές να εξετάσουν την ταχύτητα με την οποία κάθε μεταλλαγμένο ένζυμο πραγματοποίησε την αντίδραση και να προσδιορίσουν πώς οι χημικές ουσίες ή οι αλλαγές στο pH επηρέασαν τον τρόπο λειτουργίας του ενζύμου.

Χαρακτηριστικά, η Φόρνταϊς εξήγησε πως «Ήταν σαν να βγάζουμε το κάλυμμα της πρωτεΐνης και να βλέπουμε μέσα μας ένα αρχιτεκτονικό σχέδιο».

Οι «γείτονες»

Επειδή το σύστημα μπορεί να ελέγξει τόσες πολλές μεταλλάξεις κάθε φορά, θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να κοιτάξουν πέρα ​​από τις μεταλλάξεις στο ενεργό μέρος που εκτελεί την κύρια λειτουργία του και συνήθως προσελκύει την περισσότερη ερευνητική προσοχή.

Οι μεταλλάξεις σε άλλες περιοχές ενδέχεται να επηρεάσουν τη λειτουργία ενός ενζύμου, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο αναδιπλώνεται ή συνδέεται με άλλες πρωτεΐνες. Το σύστημα εντόπισε 161 τέτοιες τοποθεσίες στο PafA. «Το εύρος των επιπτώσεων από τις μεταλλάξεις, προκάλεσε έκπληξη», δήλωσε ο Χέρσλαγκ, σημειώνοντας πως «Είναι σαν να γνωρίζεις πραγματικά τη γειτονιά σου. Συνειδητοποιείς ότι υπάρχουν διαφορετικές γειτονιές με διαφορετικές επιδράσεις».

Οι ερευνητές τονίζουν πως η ικανότητα αναγνώρισης των λειτουργιών αυτών των μακρινών μεταλλάξεων, μπορεί να επιτρέψει στους ερευνητές να στοχεύσουν ένζυμα που θεωρούνται «ανεπίδεκτα φαρμάκων» επειδή οι ενεργές θέσεις τους είναι δομικά παρόμοιες με εκείνες άλλων υγιών ενζύμων. Για παράδειγμα, η διαπίστωση ποιες πρόσθετες περιοχές βοηθούν τη λειτουργία ενός καρκινογόνου ενζύμου, μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη φαρμάκων που στοχεύουν αυτές τις περιοχές.

Σημειώνουν επίσης, ότι μέσω του συστήματος αυτού θα μπορέσουμε να καταλάβουμε πώς συγκεκριμένες μεταλλάξεις οδηγούν σε ασθένειες και πώς μπορούμε να στοχεύσουμε με φάρμακα αυτά τα μεταλλαγμένα ένζυμα. Όσο γρηγορότερα αναλυθούν οι λειτουργίες αυτών των μεταλλάξεων, τόσο νωρίτερα θα δημιουργηθεί η γνώση για τη μετάβαση από τις μοριακές αλλαγές στην τελική έκβαση της νόσου».

Οι ερευνητές έχουν ήδη δημοσιεύσει οδηγίες για την κατασκευή του συστήματος HT-MEK, όμως στοχεύουν να δημιουργήσουν ένα κέντρο όπου και άλλοι ερευνητές θα μπορούν να δοκιμάζουν τα ένζυμα που τους ενδιαφέρουν.