Una chiusura a scatto al posto di una saldatura: legame e rilascio mirati di composti bioattivi

Molti farmaci importanti dal punto di vista medico provengono da fonti naturali. I microrganismi producono questi composti utilizzando catene di montaggio enzimatiche altamente sofisticate e notevolmente precise. Molti prodotti naturali microbici appartengono a una classe nota come peptidi nonribosomiali, brevi catene di amminoacidi che spesso possiedono attività biologiche farmacologicamente rilevanti, compresi gli effetti antibiotici. A differenza delle normali proteine, non sono sintetizzati dai ribosomi, ma da "catene di montaggio" enzimatiche che collegano i blocchi molecolari passo dopo passo.

"Il nostro obiettivo era quello di introdurre gruppi chimicamente reattivi in questi peptidi nonribosomiali, in modo che ulteriori reazioni potessero essere eseguite in questi siti", spiega Friedrich Ehinger, primo autore dello studio.

I ricercatori hanno ora sviluppato una tecnologia di piattaforma che consente di integrare gruppi reattivi nei prodotti naturali attraverso la biosintesi de novo. In altre parole, i batteri ingegnerizzati possono produrre da soli tutti i mattoni molecolari per il peptide bioattivo. Un enzima specializzato consente ai batteri di convertire l'amminoacido tirosina in furilalanina. Un'altra sfida importante è stata quella di garantire che i microrganismi incorporassero questi gruppi reattivi nei prodotti naturali in posizioni precisamente definite. Utilizzando l'evoluzione diretta, i ricercatori hanno modificato le sintetasi peptidiche in modo che incorporassero preferenzialmente la furilalanina invece del loro substrato naturale, la fenilalanina, nella struttura del peptide.

Di conseguenza, l'antibiotico sintetizzato dal batterio contiene una parte furanica che agisce come una maniglia reattiva a cui possono essere attaccate selettivamente altre molecole. Ciò avviene attraverso la cosiddetta reazione di Diels-Alder. In parole povere, due strutture chimiche corrispondenti formano un anello. In questo modo è possibile, ad esempio, collegare coloranti fluorescenti e visualizzare la molecola al microscopio nel suo sito d'azione. L'accoppiamento della molecola con gli anticorpi, invece, potrebbe consentire di indirizzarla in modo specifico verso un sito bersaglio desiderato, aumentando potenzialmente l'efficacia e riducendo gli effetti collaterali indesiderati.

Il principio della chiusura a scatto

"La novità del nostro metodo è che funziona come una chiusura a scatto", sottolinea Christian Hertweck, capo del Dipartimento di Chimica Biomolecolare del Leibniz-HKI e professore all'Università Friedrich Schiller di Jena. "Permette di collegare due molecole in modo altamente controllato, ma anche di separarle nuovamente quando necessario".

Il metodo appena sviluppato è altamente versatile. I peptidi bioattivi non solo possono essere etichettati con altre molecole, ma anche arricchiti selettivamente da miscele e successivamente rilasciati. Un'altra possibile applicazione è quella di immobilizzare un peptide bioattivo, come l'antibiotico gramicidina S utilizzato in questo studio, su un materiale di supporto e rilasciarlo gradualmente attraverso il calore corporeo, in modo simile ai cerotti contenenti farmaci.

Gli effetti collaterali scompaiono

Le scoperte inaspettate e l'osservazione attenta sono spesso potenti motori del progresso scientifico. Inizialmente, gli autori sono stati soddisfatti del fatto che l'attività antibiotica della gramicidina S non fosse diminuita dalla modifica. Tuttavia, hanno anche osservato che gli effetti collaterali indesiderati della gramicidina S sono quasi completamente scomparsi nella variante contenente furilalanina. Pertanto, il cambiamento strutturale introdotto dall'incorporazione della furilalanina può offrire di per sé importanti vantaggi.

"In origine la gramicidina S era solo il nostro sistema di prova per valutare il metodo", spiega Hertweck. "Ma ci siamo resi conto che la modifica della molecola migliorava anche le sue proprietà farmacologiche". "La gramicidina S viene solitamente applicata solo per via topica, ad esempio contro l'acne, perché distrugge i globuli rossi al contatto diretto", aggiunge Ehinger. "Nei nostri esperimenti abbiamo osservato che l'antibiotico modificato non era più emolitico in condizioni biologicamente rilevanti". Durante lo studio, il nuovo composto è stato testato con successo contro agenti patogeni multiresistenti ai farmaci, come l'MRSA.

I risultati e la tecnologia della piattaforma sviluppata in questo lavoro potrebbero diventare molto importanti per la ricerca biomedica e le applicazioni mediche future. Per questo motivo è stata presentata una domanda di brevetto per la tecnologia.

Uno sforzo collaborativo

Ehinger e Hertweck sottolineano che lo studio è stato condotto come uno sforzo di collaborazione internazionale che ha coinvolto diversi gruppi di ricerca. Oltre al Leibniz-HKI, hanno contribuito al lavoro ricercatori delle Università di Jena, Halle e Stoccarda, nonché dell'istituto di ricerca messicano CINESTAV. Il finanziamento è stato fornito dal Cluster of Excellence di Jena "Balance of the Microverse" e dal Centro di ricerca collaborativa ChemBioSys della DFG.