בשני ניסויי נויטרונים בלבד, מדענים גילו פרטים יוצאי דופן על תפקודו של אנזים שיכול לסייע בתכנון תרופות לסוגי סרטן אגרסיביים.
המדענים, שעבדו במעבדה הלאומית של אוק רידג' של משרד האנרגיה, השתמשו בניוטרונים במקור הניוטרונים הספלציה ובכור האיזוטופים הגבוהים בשטף גבוה כדי לזהות כימיה מדויקת בקנה מידה אטומי בסרין הידרוקסי-מתיל-טרנספראז, או SHMT, אנזים מטבולי הנחוץ לחלוקת תאים.
הסרטן חוטף תגובות כימיות במסלול המטבולי הכולל SHMT ואנזימים קריטיים אחרים והופך את התהליך כולו לרכבת בורחת, המשחזרת במהירות תאים סרטניים. תכנון מעכב שיחסימת תפקוד האנזים, הנופל בשלב מוקדם במסלול המטבולי, עלול להרוס את הניסיונות של הסרטן לעקוף אותו. האגודה המלכותית לכימיה פרסמה את ממצאי הצוות ב-Cמדע hemical.
"אני חושב שנויטרונים יהיו מבוקשים מאוד בתכנון תרופות עתידיות המבוססות על מבנה", אמרה ויקטוריה דראגו מ-ORNL, המחברת הראשית וביוכימאית שעובדת בשיתוף פעולה עם אנדריי קובלבסקי, מדען מו"פ מובהק ב-ORNL, המשתמשת בדיפרקציה של נויטרונים כדי להאיר חלבון מבנים. "המאמר הזה הוא דוגמה טובה לכמה מהר נויטרונים יכולים לייצר מידע שהיה נושא לוויכוח במשך זמן רב מאוד. מחקרים על תפקוד SHMT והמנגנון הקטליטי שלו מתוארכים לתחילת שנות ה-80".
המנגנון הקטליטי המדויק והתפקידים של שאריות חומצות אמינו שונות באתר הפעיל של האנזים נידונו במשך עשרות שנים. במחקר הנוכחי, החוקרים הבחינו שרק שארית חומצת אמינו אחת, גלוטמט, מווסתת תגובות כימיות לאנזים זה.
נתוני הנייטרונים מראים בבירור שלגלוטמט, שהיא חומצה, יש את הפרוטון. אפשר לצפות שהוא כבר ויתר על הפרוטון שלו. אבל בגלל שהוא מסוגל לשאת את הפרוטון הזה, הוא יכול להעביר אותו קדימה ואחורה. אז הוא פועל כחומצה ובסיס."
רוברט פיליפס, מחבר שותף, פרופסור לכימיה, אוניברסיטת ג'ורג'יה
במסלול המכונה חילוף חומרים של פחמן אחד, אנזים זה פועל בתוך המיטוכונדריה של התא, או מפיק אנרגיה. הוא הופך את חומצת האמינו סרין לחומצת אמינו אחרת הנקראת גליצין על ידי העברת אטום פחמן ל-tetrahydrofolate, צורה מופחתת של חומצה פולית. תגובה זו מייצרת אבני בניין לסינתזה של חומצות גרעין, כגון DNA ו-RNA, ומולקולות ביולוגיות אחרות קריטיות לחלוקת התא. הגלוטמט שולט בתהליך זה.
בניסוי קודם, הצוות שילב שתי טכניקות, נויטרונים וקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן בטמפרטורת החדר הרלוונטית מבחינה פיזיולוגית, כדי להבין SHMT ולמפות את מבנה החלבון שלו לפני האינטראקציה שלו עם טטרהידרופולט. בניסוי הנוכחי, החוקרים לכדו את האנזים בשלב הבא, תוך ביסוס ודאות לגבי אופן הפעולה של מנגנון התגובה של האנזים.
ציור התמונה בניוטרונים
ניוטרונים רואים יסודות קלים, כמו מימן, וקרני רנטגן רואים יסודות כבדים יותר, כמו פחמן, חנקן וחמצן. עקיפה של ניוטרונים ב-SNS ו-HFIR, עקיפה פנימית של קרני רנטגן ב-ORNL ודיפרקציה של קרני רנטגן סינכרוטרון במקור הפוטון המתקדם של Argonne National Laboratory סיפקו תובנות שהצוות היה צריך כדי לאפיין באופן סופי את התגובה הכימית של האנזים.
"נייטרונים מאפשרים לנו לראות אטומי מימן, ומימן מניע את הכימיה", אמר דראגו. "אנזימים מורכבים בכ-50% מאטומי מימן. במונחים של אלקטרוסטטיקה, מימן נושא גם מטען חיובי, שמכתיב את סביבת האנזים. ברגע שיש לך גביש שיפיץ נויטרונים, יש לך את כל מה שאתה צריך. אתה רואה המיקומים שבהם נמצאים המימנים, וחשוב לא פחות, העמדות החסרות מימן אתה מקבל את כל התמונה."
כפי שמוצג באנימציה, המיטוכונדריה של תאי סרטן מייצרים יתר על המידה את האנזים SHMT, טטרמר הבנוי מארבע שרשראות פפטידים זהות, או פרוטומרים, המוצגים באפור. SHMT מתפקד על ידי שימוש ב-pyridoxal-5'-phosphate, הקשור בקוולנטית ל-SHMT, וטטרה-הידרופולאט, המוצגים בזהב ובסגול, בהתאמה. Tetrahydrofolate פועל כמצע הנקשר לאתרים הפעילים של כל ארבעת הפרוטומרים. אטומי המימן, המוצגים מהבהבים בירוק, חשפו את המנגנון הקטליטי המדויק ואת התפקידים של שאריות חומצות אמינו שונות באתרים הפעילים של האנזים. ברגע שהאנזים משחרר טטרה-הידרופולאט, מעכב, המוצג בכחול, יכול להיות מתוכנן לחסום תגובות כימיות נוספות באתרים אלה, ולעצור את המסלול המטבולי של פחמן אחד בתאים סרטניים.
"המיקומים של אטומי המימן קובעים מצבי פרוטונציה של קבוצות כימיות ספציפיות בתוך האתרים הפעילים של האנזים", אמר קובלבסקי. "לפיכך, הם מספקים מידע על חלוקת המטען החשמלי, או האלקטרוסטטיקה. ידע זה חיוני לתכנון מעכבי מולקולות קטנות שייקשרו ל-SHMT, יחליפו את הטטרהידרופולאט ויעצרו את תפקוד האנזים".
תאים מכילים אלפי אנזימים המתפקדים כזרזים המזרזים תגובות ביוכימיות הנחוצות לתפקודי הגוף -; מנשימה לייצור הורמונים ועד לתפקוד העצבים. אנזימים גם מספקים מקום להחדיר כימיקלים המכוונים לתהליכים ספציפיים. אנזימים אחרים במסלול המטבולי של פחמן אחד הם כבר יעדים ידועים לתרופות סרטן כגון מתוטרקסט ופלואוראורציל. עם זאת, SHMT מגיע מוקדם יותר במסלול זה, ומציג הזדמנות לעצור את הסרטן מוקדם יותר.
אבל הקשיים בטיפול בסרטן קשורים בחלקם להתקפות החמקניות שלו על תהליכים מטבוליים. בניגוד לעמידות לתרופות במחלות זיהומיות, אם נתיב אחד לא עובד טוב, הסרטן מכייל מחדש תהליכים מטבוליים אחרים לייצור יתר של תאים סרטניים.
"כעת, כשאנחנו יודעים את הפרטים האטומיים של SHMT, אנחנו יכולים להודיע לתכנון של מעכב שיתמקד בחלבון הספציפי הזה כחלק מטיפול משולב", אמר קובלבסקי. "אם אתה משווה את זה לטיפול במחלות זיהומיות, זה הרבה יותר קשה כי בכימותרפיה לסרטן אתה בדרך כלל מתמקד בחלבונים שלך, וזו הסיבה שהחולים חווים תופעות לוואי. במחלות זיהומיות, החלבונים שאתה מכוון אליהם שייכים לנגיפים או לחיידקים אבל עם סרטן, אתה צריך להרוג את התאים שלך כאן הוא להרוג את הסרטן מוקדם יותר ולהשפיע פחות על החולה.
להאיץ את קצב הגילוי
הצוות השתמש בניוטרונים במכשיר ה-MaNDi ב-SNS ובמכשיר ה-IMAGINE ב-HFIR לצורך המחקר שלו. הפרויקט האחרון של Proton Power Upgrade של ORNL הוסיף אלומות חזקות יותר עבור כל המכשירים ב-SNS. קרני פרוטונים חזקות יותר אומרות יותר נויטרונים. יותר נויטרונים פירושם זמני איסוף נתונים קצרים יותר עם דגימות קטנות יותר, תשובות מהירות שעוזרות למדענים לתכנן תרופות חכמות יותר לטיפול במחלות.
"מחקר גילוי חיוני לחלוטין", אמר ויליאם נלסון, מנהל המרכז המקיף לסרטן סידני קימל בג'ונס הופקינס. "אנחנו מתקרבים יותר ויותר לחלל שבו, בעזרת בינה מלאכותית, נוכל לרצף גן בסרטן של מישהו, לחזות איך ייראה מבנה החלבון וליצור תרופה להכנס אליה; זה יעבוד מצוין , ונעשה את זה בעוד שעה וחצי אבל אנחנו עדיין לא שם אז, ככל שנדע יותר על מבנה החלבון, המבנה הכימי והדרך שבה דברים מתקשרים, כך נהיה טובים יותר. מסוגל לאמן מודלים של AI לחזות דברים שאנחנו לא יודעים מיד."
נלסון לא היה מחבר אף אחד מהמחקרים בהובלת ORNL. כמנהל המרכז המקיף לסרטן סידני קימל ופרופסור בבית הספר לרפואה של ג'ונס הופקינס, הוא מלמד אורולוגיה, רפואה, פתולוגיה ואונקולוגיה קרינה ומדעי קרינה מולקולרית.
SNS ו-HFIR הם מתקני משתמש של משרד DOE of Science ב-ORNL.
