בעוד שחיסוני COVID-19 הציגו לאנשים רבים תרופות מבוססות RNA, אוליגונוקלאוטידים של RNA כבר נמצאים בשוק במשך שנים לטיפול במחלות כמו ניוון שרירים דושן ועמילואידוזיס. טיפולי RNA מציעים יתרונות רבים על פני תרופות מולקולות קטנות מסורתיות, כולל יכולתם לטפל כמעט בכל מרכיב גנטי בתוך התאים ולהנחות כלי עריכת גנים כמו CRISPR אל המטרות שלהם.
עם זאת, ההבטחה של RNA מוגבלת כיום על ידי העובדה שהביקוש הגלובלי הגדל במהירות גובר על יכולת התעשייה לייצר אותו. השיטה הסטנדרטית של סינתזה כימית של RNA הומצאה בשנות ה-80, ודורשת ציוד מיוחד ותהליכים עתירי עבודה. שיטות סינתזה כימית מוגבלות גם מבחינת מגוון אבני הבניין הנוקלאוטידים שהן יכולות לשלב במולקולות RNA, והן מייצרות טונות מטריות של תוצרי לוואי כימיים רעילים היוצרים סכנות סביבתיות ומגבילים את כושר הייצור של המפעלים. בעיות אלו רק יגדלו ככל שייצור ה-RNA יגבר בתגובה לביקוש.
צוות של מדענים ממכון Wyss באוניברסיטת הרווארד ובבית הספר לרפואה של הרווארד (HMS) יצר פתרון לבעיה זו: תהליך סינתזת RNA חדש המרחיב את מרחב התכנון הטיפולי של RNA ופותח את הפוטנציאל להגדלה מהירה של הסינתזה הכימית. לא ניתן להשיג השיטה החדשנית שלהם יכולה לייצר RNA עם יעילות וטוהר המשתווים לתקני התעשייה הנוכחיים תוך שימוש במים ואנזימים במקום בממיסים הרעילים ובזרזי הנפץ שמטרידים את הייצור הנוכחי. זה יכול גם לשלב את כל השינויים המולקולריים הנפוצים שנמצאים בתרופות RNA כיום, ויש לו פוטנציאל לשלב כימי RNA חדשניים עבור סוגים חדשים של טיפולים. ההישג מתואר במאמר שפורסם היום ב טבע ביוטכנולוגיה.
ככל שהביקוש לתרופות RNA ממשיך לגדול ומוצרים נוספים יוצאים לשוק, נחרוג מההיצע העולמי הנוכחי של אצטוטריל, הממס האורגני המשמש בשיטות סינתזה כימיות של RNA".
ג'ונתן ריטיצ'ייר, Ph.D., מחבר ראשון, עמית פוסט-דוקטורט לשעבר ב-Wys ו-HMS
הוא יחד עם הסופר הראשון ומדען המחקר לשעבר של Wyss Daniel Wiegand, MSCh.E., חבר הפקולטה של Wyss Core George Church, Ph.D. ואחרים הקימו יחד את EnPlusOne Biosciences כדי למסחר את הטכנולוגיה שלהם. "אספקת תרופות RNA לעולם בהיקפים האלה דורשת שינוי פרדיגמה לסינתזה מימית מתחדשת, ואנו מאמינים שהטכנולוגיה האנזימטית הקניינית שלנו תאפשר את השינוי הזה".
דרך טובה יותר וידידותית ביו
במעבדה של צ'רץ', Rittichier, Wiegand והסופר המתכתב Erkin Kuru, Ph.D. הכיר בכך שתעשיית התרופות נמצאת בעיצומה של מהפכת RNA. המעבדה הגתה בעבר דרך לסנתז DNA באמצעות אנזימים, והשערה שהם יכולים לעשות את אותו הדבר עבור RNA.
המדענים התחילו עם אנזים מזן של שמרים, Schizosaccharomyces pombe, הידוע כמקשר בין מולקולות נוקלאוטידים ליצירת גדילים של RNA. הם הנדסו את האנזים כדי להפוך אותו ליעיל יותר ומסוגל לשלב נוקלאוטידים לא סטנדרטיים ב-RNA. זה היה חשוב במיוחד בבניית פלטפורמת פיתוח תרופות שימושית, שכן כל תרופת RNA שאושרה על ידי ה-FDA מכילה נוקלאוטידים ששונו מצורתם המקורית כדי להגביר את היציבות שלהם בגוף או להעניק להם פונקציות חדשות.
לאחר מכן הם התמקדו בנוקלאוטידים עצמם. בסינתזת RNA כימית סטנדרטית,
לנוקלאוטידים מתווספות "קבוצות הגנה": מעין עטיפת בועות כימית שמונעת מהמולקולה להיפגע מתנאי התגובה הקשים. יש להסיר את קבוצות ההגנה הללו לאחר סינתזה על מנת שה-RNA יתפקד, ותהליך זה דורש סבב נוסף של תגובות כימיות שעלולות להזיק ל-RNA בעת בנייתו. התנאים המתונים יותר של הסינתזה של EnPlusOne מבטלים את הצורך בכל עטיפת בועות מגושמת, מה שמוביל בסופו של דבר לייצור טוב יותר.
אבל אפילו כשהוא פתר בעיה אחת, האנזים של הצוות הציג בעיה אחרת: הפעילות הטבעית שלו תחבר נוקלאוטידים ללא שליטה, וכתוצאה מכך רצפי RNA לא מדויקים. כדי לפתור בעיה זו, הם שינו את הנוקלאוטידים שלהם עם "חוסם", קבוצה כימית שמעכבת את האנזים ומאפשרת רק הוספת נוקלאוטיד אחד בכל פעם. לאחר הוספת הנוקלאוטיד הרצוי, החוסם מוסר על מנת לאפשר לנוקלאוטיד הבא ברצף להיקשר, וכתוצאה מכך תהליך דו-שלבי פשוט יותר ועתיר ריאגנטים פחות משיטת הסינתזה הכימית הטיפוסית בעלת ארבעת השלבים.
החוקרים הוכיחו שהתהליך החדש שלהם שילב נוקלאוטידים ביעילות של 95%, אשר ניתן להשוות לסינתזה כימית. לאחר מכן הצוות חזר שוב ושוב על מחזורים של סינתזת RNA אנזימטית כדי לבנות מולקולות באורך של 10 נוקלאוטידים. כעת הם מסוגלים באופן שגרתי לבנות מולקולות באורך 23 נוקלאוטידים, שזה בגודל של תרופות רבות שובר קופות RNA טיפוליות.
ממולקולות ועד תרופות
המפתח להפיכת RNA לתרופות שימושיות הוא שינוי הנוקלאוטידים הקיימים באופן טבעי. הצוות גם הוכיח ששיטת הסינתזה האנזימטית שלהם יכולה לייצר בהצלחה גדילי RNA עם מספר סוגים של נוקלאוטידים שעברו שינוי באותה יכולת כמו נוקלאוטידים טבעיים. "RNA טבעי עשוי מארבע אותיות – A, U, C ו-G – אבל אנחנו יכולים להרחיב את האלפבית הפשוט הזה עם ביולוגיה סינתטית", אמר Kuru, שהוא פוסט-דוקטורט ב-HMS. "התהליך שלנו בעצם מגדיל את מספר המפתחות שיש לנו ב'מכונת הכתיבה של ה-RNA' שלנו לאלפבית עשיר בהרבה שנוכל להשתמש בו כדי לכתוב RNA עם פונקציות ומאפיינים חדשים."
עבודה זו היוותה את הבסיס לפרויקט אימות במכון וויס בשנים 2019 ו-2020, כאשר בוטלה הסיכון והוכנה למסחור. כמו כן בשנת 2020, הפרויקט הפך לראשון שנתמך באמצעות שותפות של מכון Wyss עם Northpond Labs באמצעות המעבדה למחקר וחדשנות ביו-הנדסית, בהתבסס על הפוטנציאל שלה להשפעה משמעותית בעולם האמיתי. EnPlusOne Biosciences הושק בשנת 2022 כדי למסחר את הגישה החדשה ולהביא לעולם סינתזה של RNA אנזימטי. המימון הובל על ידי Northpond Ventures בהשתתפות Breakout Ventures ו-Coatue.
"טכנולוגיות סינתזת נוקלאוטידים אנזימטיות מציעות יתרונות רבים כחלופה לשיטות המבוססות על כימיקלים. פלטפורמה זו יכולה לסייע בפתיחת הפוטנציאל העצום של תרופות RNA באופן בר קיימא, במיוחד בייצור מולקולות RNA מדריכות באיכות גבוהה לעריכת גנים CRISPR/Cas", אמר. הסופר המתכתב צ'רץ', שהוא גם פרופסור רוברט ווינתרופ לגנטיקה ב-HMS.
EnPlusOne משתמשת גם בפלטפורמה שלה לייצור RNAs מפריעים קטנים (siRNAs) בקנה מידה מעבדתי שיכול לשמש לטיפול במגוון רחב של מחלות.
"תרופות רנ"א מציעות גישת טיפול חדשה ועוצמתית למגוון עצום של מחלות. עם זאת, שיטות הייצור הנוכחיות של תרופות אלו מוגבלות מבחינת המגוון הכימי שהן יכולות לייצר, כמות החומר שניתן לייצר בעלות סבירה, וכן ההשפעה השלילית שלהם על הסביבה בשל הכימיקלים הקשים שהם דורשים, חלופת סינתזת האנזים הביולוגית של EnPlusOne מציעה דרך להתגבר על כל המגבלות הללו, ויכולה לעזור לתעשיית הטיפולים ב-RNA להתפוצץ", אמר המנהל המייסד של Wyss Don Ingber, MD, Ph. .ד. אינגבר היא גם ה יהודה פולקמן פרופסור לביולוגיה של כלי דם בבית החולים HMS ובבוסטון לילדים, וה Hansjörg Wyss פרופסור להנדסה בהשראה ביולוגית בבית הספר להנדסה ולמדעים שימושיים (SEAS) של ג'ון א. פולסון בהרווארד.
מחברים נוספים של ה טבע ביוטכנולוגיה המאמר כולל את אלה מאייר, Howon Lee, Nicholas J. Conway, Daniel Ahlstedt, Zeynep Yurtsever, ו-Dominic Rainone. לי ואהלסטדט הם גם מייסדים משותפים של EnPlusOne. עבודה זו נתמכה על ידי משרד האנרגיה האמריקני תחת Grant DE-FG02-02ER63445 ומכון Wyss באוניברסיטת הרווארד.
