Постгеномная технология для разработки нового поколения лекарственных препаратов - BioinforMatix.ru - портал по биоинформатике, имейджингу и биософту

Постгеномная технология для разработки нового поколения лекарственных препаратов - BioinforMatix.ru - портал по биоинформатике, имейджингу и биософту

Постгеномная технология для разработки нового поколения лекарственных препаратов

Печать E-mail
Автор Александр Арсеньев   
25.04.2009 г.

Одной из актуальных задач биотехнологической промышленности и медицины в современной России является создание универсальной постгеномной технологии для разработки нового поколения лекарственных препаратов.

Разработкой комплексной постгеномной платформы для рационального конструирования оригинальных биологически активных соединений, использующих в качестве мишеней мембранные белки (ММБ) или непосредственно мембраны клеток, занимаются сегодня ученые из Института биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.  А . Овчинникова Российской академии наук (ИБХ РАН).

По мнению руководителей проекта, академика РАН В.Т. Иванова и доктора химических наук, профессора  А .С. Арсеньева, решение задачи основано на выявлении взаимосвязи между пространственной структурой, динамикой и функцией ММБ. Именно способ трехмерной укладки полипептидной цепи белка и параметры динамической подвижности такой системы определяют молекулярные механизмы действия белков. В частности, от этого зависят характеристики их взаимодействия с мембраной клетки и с другими молекулами: лигандами, пептидами и белками, нуклеиновыми кислотами и т.д. Исследователи планируют использовать несколько типов ММБ: интегральные мембранные рецепторы, ионные каналы и их фрагменты, мембраноактивные молекулы (антимикробные пептиды, антибиотики белковой природы) и др. Платформа будет включать комбинированное применение современных методов генетической и белковой инженерии, химии белка, структурной биологии, химического синтеза, методов биологического тестирования и высокопроизводительных вычислительных технологий. Природные и рекомбинантные изотопно-меченые ММБ, их пространственная структура с атомным разрешением и динамика,  а  также влияние ММБ на поведение мембран будут охарактеризованы с помощью методов ЯМР, ЭПР, конфокальной спектроскопии и рентгеноструктурного анализа. При проведении протеомных исследований будут использованы методы масс-спектроскопии. По мнению разработчиков, экспериментальные данные послужат основой для создания надежных и эффективных методов компьютерного моделирования пространственной структуры и поведения ММБ в биологических мембранах, поиска и конструирования новых высокоэффективных и высокоаффинных лигандов.

Платформа, объединяющая ряд постгеномных технологий, принципиально изменит и ускорит исследование взаимодействия биологически активных молекул с ММБ, позволит выявить их влияние на процессы в живых клетках. Разработанные технологии и продукция на их основе (прототипы лекарственных препаратов) станут конкурентоспособными на мировом рынке и будут ориентированы на массовое применение в научно-исследовательских организациях, в фармацевтической и биотехнологической промышленности, в медицине. Они также будут способствовать борьбе с распространенными заболеваниями, не имеющими в настоящее время адекватной терапии. Возможные области их применения — диагностика, терапия и лечение сердечно-сосудистных, нейродегенеративных, раковых заболеваний и болезней, вызываемых вирусными (СПИД, гепатит С, грипп), бактериальными и грибковыми инфекциями.

Высокопроизводительный скрининг лигандов

Важный этап проекта — анализ взаимодействия лигандов (низкомолекулярных соединений, пептидов, пептидомиметиков) с ММБ. Технологии высокопроизводительного скрининга лигандов к ММБ-мишеням основываются на применении как экспериментальных, так и теоретических методов. Исследователи используют методы ЯМР-скрининга, что позволяет проводить скрининг препаратов с производительностью до 100 веществ в день. Кроме того, применяются и компьютерные методы высокопроизводительного компьютерного докинга, в процессе которого моделируется взаимодействие лигандов с ММБ. Также задействованы и усовершенствованные алгоритмы докинга белков-рецепторов с пептидами и другими белками. Применение компьютерных технологий позволяет значительно ускорить поиск и оптимизацию высокоаффинных и селективных лигандов,  а  также снизить стоимость работ. Современные программы докинга производят поиск конформаций комплексов на основании оптимизации эмпирических оценочных функций, однако наилучшие по значениям оценочной функции результаты докинга далеко не всегда согласуются с экспериментальными данными. С целью повышения надежности и предсказательной силы программ докинга учитывается конформационная подвижность белка-мишени, разрабатываются дополнительные к оценочной функции критерии для выбора «правдоподобных» конформаций комплексов белок-лиганд.

Классы мембранных и мембрано-активных белков и пептидов

Рис. 1. Классы мембранных и мембрано-активных белков и пептидов, изучаемых в рамках проекта.


Активные природные и рекомбинантные ММБ

Разрабатываемая технологическая платформа включает в себя и создание технологии скрининга антимикробной активности, фракционирования и многостадийного тестирования полипептидов из бактерий, грибов, ядов пауков и пр., высокоэффективные экспрессионные системы для получения полноразмерных интегральных ММБ,  а  также их фрагментов (например, трансмембранных пептидов). Ученые также проводят скрининг белков-партнеров для гибридной экспрессии и оптимизирование условий получения гибридных белков в виде «телец включения». С целью получения образцов, обладающих нативной структурой, они используют протоколы выделения, очистки, рефолдинга и солюбилизации ММБ в мембраноподобных средах (мицеллы детергентов, липидные бислои, бицеллы и пр.). Указанные оригинальные технологии используются и для наработки изотопно-меченых ММБ, их точечных мутантов. Для тестирования и оптимизации условий солюбилизации и рефолдинга применяется широкий набор физических методов (ЯМР-, масс- и флуоресцентная спектроскопия, КД, ИК и др.).

Методы сравнительной протеомики

Для изучения протеома биологических мембран и связанного с ним пула регуляторных пептидов (пептидома) разработчики используют самые современные методы нано-хроматографии и тандемной масс-спектрометрии с ионизационными технологиями MALDI и ESI. Имеющееся оборудование позволяет определять молекулярную массу белков, пептидов и их комплексов (вплоть до 100 кДа),  а  также идентифицировать их пост-трансляционные модификации при количестве вещества в образцах 1 пмоль. Белки, составляющие протеом биологических мембран, и их предшественники будут идентифицированы с привлечением высокопроизводительных биоинформационных подходов и геномных баз данных. При решении этих задач будут применены оригинальные технологии солюбилизации ММБ. Для изучения связывания ММБ с лигандами при помощи масс-спектрометрических методов используется процедура селективного изотопного мечения белков и пептидов, разработанная в ИБХ РАН. Учеными также созданы новые методические подходы к масс-спектрометрическому анализу клеточных и тканевых пулов регуляторных пептидов — сложных многокомпонентных смесей, получаемых из природных источников. Кроме того, с помощью масс-спектрометрии решаются задачи создания и идентификации лигандов, обладающих высокой аффинностью и селективностью по отношению к конкретным представителям протеома мембран.

Этапы высокопроизводительной
технологии разработки прототипов лекарственных препаратов

 Рис. 2. Этапы высокопроизводительной технологии разработки прототипов лекарственных препаратов на основе природных биологически активных соединений и de novo дизайна.


Технологии молекулярного моделирования

Для компьютерного анализа пространственной структуры и динамики ММБ,  а  также для оценки их эффектов на биологические мембраны ученые применяют оригинальные, не имеющие аналогов в России, методы молекулярного моделирования ММБ и мембраноподобных сред (липидных бислоев и мицелл детергентов различного состава). Для выполнения расчетов они используют методы молекулярной динамики и Монте-Карло,  а  также реализующие их оригинальные и стандартные программы, адаптированные для высокопроизводительных параллельных вычислительных комплексов. Кроме того, на этапах выбора стартовых конформаций моделируемых систем,  а  также для анализа получаемых результатов применяют созданные авторами методы исследования гидрофобной/гидрофильной организации белков и мембран, картирования свойств их поверхностей и т.д. На основании полученных результатов авторы проекта создают структурно-динамические модели ММБ в мембранах, что позволит исследовать процессы связывания лигандов с ММБ-мишенями, предсказывать мембранолитическую активность выделенных либо проектируемых новых соединений (пептидов, низкомолекулярных лигандов, пептидомиметиков и пр.). Для компьютерного конструирования соединений, обладающих высокой аффинностью и селективностью к заданным ММБ-мишеням, исследователи используют современные технологии высокопроизводительного докинга. С целью повышения надежности и предсказательной силы алгоритмов докинга производят учет конформационной подвижности белка-мишени, разрабатывают оригинальные критерии выбора «правдоподобных» конформаций комплексов белок-лиганд.

Разработчики проекта, ученые из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю. А . Овчинникова Российской академии наук, совместно с коллегами из Института физико-химической биологии им.  А .Н. Белозерского МГУ, Института кристаллографии им.  А .В. Шубникова РАН, биологического факультета МГУ и факультета молекулярной и биологической физики МФТИ полагают, что предлагаемая к разработке технология должна придать инновационную направленность фундаментальным исследованиям ММБ и мембран. Применение новой платформы обеспечит прочную научную базу для разработки и внедрения в фармацевтическую промышленность и медицинскую практику нового поколения высокоэффективных и широкодоступных лекарственных препаратов.

Технология направленного
ингибирования роста опухолевых клеток с помощью искусственно созданных
трансмембранных пептидов

Рис. 3. Технология направленного ингибирования роста опухолевых клеток с помощью искусственно созданных трансмембранных пептидов-«перехватчиков». 

Последнее обновление ( 25.04.2009 г. )
 
« Пред.   След. »


Copyright 2012 Bioinformatix.ru