כיום, יש הרבה באז על טיפולים רפואיים חדשים ומרהיבים כגון טיפול מותאם אישית בסרטן עם תאי חיסון או נוגדנים מותאמים. טיפולים כאלה, לעומת זאת, הם מאוד מורכבים ויקרים ולכן מוצאים יישום מוגבל בלבד. רוב הטיפולים הרפואיים עדיין מבוססים על תרכובות כימיות קטנות שניתן לייצר בכמויות גדולות ובכך בעלות נמוכה.
מיליארדי מולקולות חדשות תוך מספר שבועות בלבד
צוואר הבקבוק בפיתוח טיפולים מולקולריים חדשים הוא המספר המצומצם של חומרים פעילים חדשים שניתן למצוא בטכניקות עדכניות. שיטה שפותחה בשנות ה-2000 בהרווארד וב-ETH ציריך מבטיחה לספק תרופה: ספריות כימיות מקודדות DNA (DEL).
עד כה, טכנולוגיית DEL יכולה לשמש לייצור מיליוני תרכובות כימיות ולבחון את יעילותן במכה אחת. עם זאת, החיסרון בכך היה שהחוקרים יכלו לבנות רק מולקולות קטנות מכמה אבני בניין כימיות. כימאים ב-ETH ציריך חידדו ושיפרו משמעותית את התהליך הזה.
בעזרת השיטה החדשה, שפורסמה לאחרונה בכתב העת הנודע מַדָעחוקרים יכולים כעת לסנתז ולבדוק באופן אוטומטי לא רק כמה מיליונים, אלא מיליארדי חומרים שונים בתוך כמה שבועות. ניתן ליישם את השיטה גם לייצור מולקולות תרופה גדולות בהרבה, כמו פפטידים בצורת טבעת, שניתן להשתמש בהם כדי למקד מטרות תרופתיות נוספות.
יצירה ובדיקה של כל השילובים
החומרים הפעילים הראשונים שפותחו בעזרת טכנולוגיית DEL מוקדמת נמצאים כיום בניסויים קליניים מתקדמים. שיטת ה-DEL החדשה הזו מרחיבה שוב באופן מאסיבי את האפשרויות".
יורג שיירמן
הוא וקבוצת המחקר שלו במכון למדעי התרופות הם מחלוצי טכנולוגיית ה-DEL, הנחשבת למפתח לניצול האפשרויות הקומבינטוריות בייצור כימי של מולקולות בפועל.
המטרה של כימיה קומבינטורית היא לייצר כמה שיותר וריאנטים מולקולריים מאבני בניין בודדות. מכל השילובים הללו, החוקרים דגים את אלה שמדגימים את הפעילות הרצויה. מספר המולקולות השונות גדל באופן אקספוננציאלי עם מספר מחזורי הסינתזה ועם מספר אבני הבניין השונות המשולבות בכל מחזור סינתזה.
שימוש בקוד DNA לזיהוי המולקולות הפעילות
כדי שחוקרים יוכלו לזהות את התרכובות הפעילות הבודדות ב"מרק המולקולרי" הגדל במהירות בבדיקות יעילות, שיטת DEL מצמידה למולקולה קטע קצר מוגדר של DNA במקביל לכל אבן בניין של מרכיב פעיל. זה יוצר רצף DNA ייחודי כברקוד קריא עבור כל שילוב של אבני בניין.
לדוגמה, ניתן לבדוק את כל מרק המולקולות על יכולתו להיקשר לחלבון ספציפי, וניתן להגביר מקטעי DNA בודדים ולזהות אותם בבירור באמצעות טכניקת PCR (תגובת שרשרת פולימראז) המוכרת מבדיקות COVID.
מניעת גידול אקספוננציאלי של זיהום
אולם המציאות הכימית הגבילה עד כה את האפשרויות של טכנולוגיית DEL. תהליך הקישור בין שברי ה-DNA עם אבני הבניין הכימיות הוא תמיד אמין, אך היעילות שבה אבני הבניין הללו מתחברים זה לזה משתנה בהתאם לשילוב. כתוצאה מכך, קוד ה-DNA מאבד את הייחודיות שלו.
אותו קוד יכול להתייחס לא רק למולקולה השלמה עם כל אבני הבניין, אלא גם לגרסאות קטומות המכילות רק חלק מאבני הבניין. זיהומים אלה גם גדלים באופן אקספוננציאלי עם כל סבב של סינתזה. בפועל, זה הגביל את הגודל הניתן לניהול של ספריות DEL לשילובים של שלושה עד ארבעה בלוקים מחוברים ובכך לכמה מיליוני תרכובות שונות.
טיהור עצמי מובנה
צוות המחקר של Scheuermann מצא כעת דרך למנוע את הזיהום הגובר של הספרייה המולקולרית: לטהר את ה-DEL שסונתז עד לאבן הבניין האחרונה. שיטת חוקרי ETH מבוססת על שני חלקים עיקריים. ראשית, סינתזה של המולקולות מחוברת לחלקיקים מגנטיים שניתן לטפל בהם בקלות ובאופן אוטומטי. זה מאפשר בין היתר מחזורי כביסה. שנית, הצוות הציג רכיב צימוד כימי שני על החלקיקים שיכול להיקשר רק לאחרון של אבני הבניין המתוכננות.
ניתן להסיר את כל המולקולות הקטומות שחסרות, למשל, אבן הבניין האחרונה, בשלב כביסה בודד. בסופו של דבר, בספרייה יש רק אותן מולקולות המכילות את כל אבני הבניין המצוינות בקוד ה-DNA.
התנגשות עם הכימיה הקומבינטורית
עד כמה שהשיטה נראית אלגנטית על הנייר, קשה ליישם אותה, כפי שאומר שוירמן: "זה היה מאתגר במיוחד למצוא חלקיקים מגנטיים שאינם מפריעים לצימוד האנזימטי של שברי דנ"א. במהלך פרויקטי הדוקטורט שלהם, מישל קלר ודימיטר פטרוב מהקבוצה שלי השקיעו הרבה זמן ואנרגיה כדי לוודא שהשיטה עובדת בצורה אמינה".
הרעיון של ביצוע כימיה קומבינטורית כזו על חלקיקים צץ עוד בשנות ה-90, אך רק כעת הצליחו חוקרי ה-ETH ליישם זאת בפועל עבור סינתזה של ספרייה.
מולקולות מגוונות וגדולות יותר
טכנולוגיית ה-DEL המטהרת את עצמה היא מעבר לאפשר טיפול בספריות גדולות בהרבה של כמה מיליארדי מולקולות; זה גם מאפשר לחוקרים לסנתז מולקולות גדולות יותר המורכבות מחמש אבני בניין או יותר. "בעבר, יכולנו לחפש חומרים פעילים קטנים שנכנסים כמו מפתח למנעול של האתר הפעיל של חלבונים רלוונטיים מבחינה טיפולית, אבל עכשיו אנחנו יכולים לחפש גם גדולים יותר. החומרים הפעילים הגדולים האלה יכולים לעגון לא רק בחלבונים הפעילים של החלבון. מרכזים, אבל גם לאזורים ספציפיים אחרים של פני החלבון, למשל, כדי למנוע ממנו להיקשר לקולטן", אומר שוירמן.
מחקר ביולוגי בסיסי נהנה גם מהאפשרות למצוא מולקולות הנקשרות למשטחי חלבון מסוימים, שכן הדבר מאפשר לתייג ולבחון חלבונים בהקשר הסלולרי שלהם. יתרה מכך, שיטת ה-ETH יכולה להיות ברכה ליוזמות מחקר בינלאומיות גדולות כגון Target 2035. יוזמה זו מתייחסת ל-ca. 20,000 חלבונים אנושיים ומטרתה למצוא, עד שנת 2035, מולקולה לכל אחד מהם שנקשרת ספציפית לאותו חלבון אחד ולכן יכולה להשפיע על תפקודו.
שירות ספין-אוף לתעשייה ולמדע
כדי להפוך את הטכנולוגיה לזמינה לתעשיית התרופות ולמחקר בסיסי בצורה יעילה ככל האפשר, שיירמן וצוותו יקימו חברת ספין-אוף. חברה זו תציע את כל התהליך: מפיתוח קולקציות DEL וסינתזה אוטומטית ועד לבדיקת יעילות אוטומטית וזיהוי מבוסס DNA של המולקולות. "אנחנו רואים עניין עצום מהתעשייה ומהמחקר, במיוחד במולקולות מחזוריות, שעד היום לא היו נגישות במספרים גדולים", אומר שוירמן.
