В Институте биоорганической химии и Институте микробиологии установлен молекулярный механизм активации ключевого биокатализатора в синтезе компонентов нуклеиновых кислот (пуриннуклеозид фосфорилазы), который позволил определить исходные нуклеозиды для создания лекарственных препаратов с противоопухолевой и противовирусной активностью и синтезировать фармакологически перспективные фторпроизводные дезокси­ и дидезоксинуклеозидов.

БИОТЕХНОЛОГИЯ НУКЛЕОЗИДОВ

22.02.2016/№8 (стр.3)

В лаборатории химии нуклеотидов и полинуклеотидов Института биоорганической химии НАН Беларуси изучают ферментативный синтез модифицированных нуклеозидов с целью разработки высокоэффективных биотехнологичных методов получения известных противовирусных и противоопухолевых препаратов, а также новых соединений этого класса, представляющих интерес для молекулярной биологии и медицины.

Об этой работе нам рассказал член-корреспондент Игорь Михайлопуло, который вместе с коллективом авторов из Института микробиологии отмечен по итогам конкурса ТОП-10 результатов деятельности ученых НАН Беларуси в области фундаментальных и прикладных исследований за 2015 год.

Перспективные соединения

Что же собой представляют нуклеозиды? Это ключевые компоненты нуклеиновых кислот, которые являются носителями наследственной информации (ДНК), управляют процессом ее трансформации в белки (РНК) и входят в структуры, в той или иной степени участвующие в метаболизме клетки, вирусов и бактерий. «Изменение структуры природных нуклеозидов приводит к получению аналогов, которые, вмешиваясь в метаболизм опухолевой клетки или вируса/бактерии, могут ингибировать (сдерживать) эти процессы. Именно эта стратегия стала основой создания более сорока противоопухолевых и противовирусных химиотерапевтических препаратов. Модификация компонентов нуклеиновых кислот, изучение биохимической фармакологии полученных соединений привело к прорыву в терапии ряда вирусных инфекций и онкологических заболеваний», – подчеркнул Игорь Александрович.

Подавляющее большинство этих соединений было впервые получено и традиционно производится методами органической химии, которые многостадийны, весьма трудоемки, используют опасные для здоровья реагенты и большое количество органических растворителей, что несет значительную нагрузку для окружающей среды.

Использование ферментов в качестве катализаторов биосинтеза модифицированных нуклеозидов позволяет сократить количество стадий и исключить опасные реагенты и растворители, что полностью согласуется с принципами «зеленой химии».

Начало исследований по биотехнологии компонентов нуклеиновых кислот в СССР относится к середине 80-х годов прошлого столетия, когда лаборатории, возглавляемые И.Михайлопуло (Институт биоорганической химии АН БССР) и А.Зинченко (Институт микробиологии АН БССР) объединили научный потенциал.

В последующие годы были получены принципиально новые результаты в области биотехнологии модифицированных нуклеозидов и разработаны высокоэффективные методы синтеза ряда известных лекарств против злокачественных образований и вирусов, и авторы были удостоены Государственной премии Республики Беларусь за 2005 год.

«Анализ состояния и перспектив развития биотехнологии этого класса соединений позволил нам предложить мультиферментную, каскадную стратегию синтеза биологически значимых модифицированных нуклеозидов. Экспериментальные тесты, проведенные совместно с Отделом биотехнологии Института биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН (заведующий академик А.Мирошников), продемонстрировали большой потенциал этой стратегии», – отметил собеседник.

Супербиокатализатор

Известно, что способность любого фермента катализировать определенную реакцию не только природных субстратов, но и близких по структуре их аналогов, определяется субстратной специфичностью фермента. Понимание механизма его функционирования позволяет прогнозировать возможность осуществления реакции с аналогом природного субстрата для получения желаемого продукта реакции. «Пуриннуклеозид фосфорилаза (ПНФ) из бактерии E. сoli является одним из наиболее важных ферментов в биотехнологии модифицированных нуклеозидов в рамках предложенной нами стратегии мультиферментного каскадного синтеза. Биокаталитический потенциал этого фермента был хорошо изучен, однако детальный анализ механизма функционирования ПНФ позволил нам предложить пути расширения его возможностей в синтезе модифицированных нуклеозидов», – отметил Игорь Александрович.

В работе, включенной в ТОП-10 за 2015 год, авторами проведено сравнительное изучение каталитической активности нативного фермента и его мутанта, у которого аминокислота каталитического центра серин-90 заменена на аланин. В результате был получен фермент с измененными свойствами и изучен ряд новых аналогов природных субстратов. Созданы также новые модифицированные нуклеозиды, представляющие интерес с точки зрения их биологических свойств и в качестве инструментов биохимических и молекулярно-биологических исследований. Эта работа была выполнена в кооперации с учеными лаборатории биоорганической химии и химической биологии Центра Нанотехнологий Технопарка Мюнстера (Германия) и Университета штата Мэриленд (Балтимор, США). Работа опубликована в издании Chemistry. A European Journal (2015, 21, 13401 – 13419). Полученные результаты позволили авторам сформулировать подходы к направленному биотехнологическому синтезу модифицированных нуклеозидов для молекулярной биологии и в качестве компонентов коротких олигонуклеотидов, которые в настоящее время привлекают огромный интерес исследователей в качестве препаратов нового поколения для лечения вирусных и онкологических заболеваний. В настоящее время изучается механизм функционирования пиримидиннуклеозид фосфорилаз, которые, наряду с ПНФ, стали важными инструментами биотехнологии модифицированных нуклеозидов. Эти исследования проводятся в тесной кооперации с партнерами по предыдущей работе.

Непростая ситуация сложилась на стадии отбора наиболее перспективных модифицированных нуклеозидов для углубленного доклинического изучения. «Очевидно, что, в первую очередь, необходимо создать ряд соединений в количестве около 100 мг, что требует определенных инвестиций, как для наработки, так и для проведения исследований по изучению их биологических свойств. Эта работа нуждается в новом уровне партнерства, в том числе и со стороны фармацевтических компаний», – подчеркнул И.Михайлопуло. Ученые заинтересованы в такой кооперации, они принимают активное участие в составлении проектов на получение финансирования в рамках программы Евросоюза «Горизонт 2020». Они готовы разработать высокоэффективные технологии получения широкого спектра модифицированных нуклеозидов.