I ricercatori utilizzano strumenti sintetizzati per piccole molecole, note come sonde chimiche, con proprietà simili ai farmaci per identificare tipi specifici di proteine ​​al fine di trovare potenziali nuovi lead di farmaci. Però, le tecnologie attualmente disponibili non sono in grado di accedere a bersagli terapeutici che hanno metalli, metaboliti, o modifiche post-traduzionali.

Ora, uno studio del laboratorio di Megan Matthews e colleghi suggerisce nuovi modi per manipolare questa classe di bersagli di malattie che finora sono rimasti "indistruttibili". I risultati sono stati pubblicati in Scienze Centrali ACS e sono presenti sulla copertina di settembre della pubblicazione.

Gli scienziati del laboratorio Matthews sono biologi chimici multidisciplinari e collaborativi. Hanno esperienza in chimica sintetica, enzimologia, biologia cellulare, e proteomica chimica basata sulla spettrometria di massa, che è comunemente usato per caratterizzare le piccole interazioni molecola-proteina e i loro effetti sulla funzione delle proteine. Utilizzando questo approccio, i ricercatori possono profilare e scoprire globalmente proteine ​​che reagiscono con sonde specifiche, capire cosa fanno queste proteine, e inibiscono le attività della proteina mediante nuovi meccanismi.

In questo studio, i ricercatori si sono concentrati sulla mappatura della reattività chimica di un'organoidrazina, –NHNH ₂ , sonda che imita uno dei primi antidepressivi approvati dalla FDA, noto come fenelzina, utilizzando un metodo chiamato profilo proteico basato sull'attività (ABPP). Le sonde ABPP classiche prendono di mira un singolo tipo di amminoacido che è nucleofilo, o ricco di elettroni, considerando che le sonde dell'idrazina sono progettate per catturare cofattori enzimatici e modificazioni post-traduzionali che sono elettrofile, o povero di elettroni.

"Le idrazine catturano tutti i tipi di obiettivi davvero eccitanti con una chimica davvero interessante, quindi lo stiamo usando come punto di partenza per la scoperta di inibitori enzimatici, "dice Matteo, il ricercatore principale di questo studio. "Volevamo chiederci quali sono tutte le cose che questo farmacoforo può fare a livello di proteoma, e grazie alla spettrometria di massa possiamo farlo".

Dopo aver distribuito la loro sonda in due linee cellulari umane, hanno dimostrato che le sonde reagiscono con bersagli di più classi di enzimi che utilizzano una vasta gamma di cofattori; i cofattori sono diversi tipi di macchinari chimici che aiutano una proteina a svolgere la sua funzione. Quindi, mappando le posizioni dell'etichettatura della sonda sulle proteine, gli scienziati hanno dimostrato due modalità di reattività, chiamato attacco polare diretto e attivazione/frammentazione ossidativa, che si basano sulle proprietà versatili dell'idrazina e sulla sua capacità di catturare diversi tipi di carenza di elettroni.

Una delle maggiori sfide tecniche, dice il postdoc e primo autore Zongtao "Tom" Lin, stava identificando dove e come la sonda ha reagito con le proteine ​​perché non è qualcosa che fosse facilmente prevedibile. "La nostra soluzione è stata quella di utilizzare sonde di idrazina isotopica, sostituzione degli atomi di azoto in abbondanza naturale ¹⁴ N, con la sua controparte "pesante" ¹⁵ N. Questo ci ha permesso di vedere se il gruppo idrazina è stato perso dopo aver reagito con la proteina o no, " dice Lin. "Dopo di che, ci siamo affidati a un flusso di lavoro computazionale per abbinare i modelli di frammentazione del peptide e restringere i siti di etichettatura della sonda. Questa combinazione di sonde isotopiche di idrazina e ricerche computazionali ci ha permesso di raggiungere il nostro obiettivo".

La squadra ha scoperto che, sebbene le idrazine siano ampiamente reattive, rimangono diretti verso il sito attivo e sono bloccati da altre molecole che occupano il sito attivo di una proteina. "Poiché stanno prendendo di mira la chimica funzionale, sono in grado di leggere lo stato funzionale di molte diverse classi di enzimi. È piuttosto sorprendente perché si avvicina al Santo Graal a sonda singola per essere in grado di profilare qualsiasi funzionalità proteica che sia carente di elettroni, " dice Matthews. "Quindi ora, in linea di principio, possiamo sviluppare molecole selettive per bersagli trovati in questa metà inesplorata del proteoma che ora è "farmaceutica", " ed è davvero potente ed espansivo."

Prossimo, gli scienziati elaboreranno e metteranno a punto queste idrazine per esplorare se i nucleofili diversificati hanno la stessa capacità degli elettrofili di fungere da potenti, inibitori selettivi di enzimi cofattori-dipendenti.

Matthews aggiunge che, poiché questi metodi sono "agnostici dalla malattia, " ci sono opportunità uniche per studiare attività che sono deregolate nei campioni dei pazienti e nei modelli di malattia. "Nel complesso, ci aspettiamo che le sonde idrazina mantengano tutte le capacità delle sonde ABPP classiche, compresa la scoperta di inibitori e nuovi meccanismi d'azione, "dice Matthews. "In alcuni casi, speriamo di scoprire una nuova biologia, pure."