Ультраселективные аптамеры дают вирусам попробовать их собственное лекарство
Ученые из EPFL разработали метод создания ультраселективных аптамеров, вдохновившись тем, как вирусы прикрепляются к клеткам.
Аптамеры — это короткие сегменты ДНК или РНК, предназначенные для связывания с конкретными мишенями, подобно антителам. Будучи синтетическими и недорогими в производстве, они являются привлекательной альтернативой антителам для биомедицинской диагностики и терапии.
Когда требуются новые аптамеры (например, для обнаружения нового вируса), их получают из библиотек миллионов нуклеиновых последовательностей, из которых отбираются и амплифицируются наилучшие соответствия для заданной мишени.
До сих пор такие библиотеки содержали только моновалентные связывающие агенты — последовательности, связывающиеся с одним участком на молекуле-мишени. Но это противоречит структуре многих реальных белков, включая шиповидные белки SARS-CoV-2, гриппа и ВИЧ. Эти структуры, которые вирусы используют для заражения клеток, состоят из трех идентичных субъединиц, представляющих три потенциальных сайта связывания.
Использование моновалентных связывающих агентов для этих трехкомпонентных (тримерных) комплексов ненадежно. Маартье Бастингс, руководитель лаборатории, сравнивает это с «бросанием миски спагетти в стену, так как «что-то» обязательно прилипнет «где-то»».
По словам Бастингс, моновалентный связывающий агент может взаимодействовать с мишенью в неподходящем месте (например, сбоку белка), что снижает его функциональность. Поэтому команда задалась вопросом: не лучше ли предварительно организовать библиотеку для связывающих агентов, которые точно соответствуют геометрии мишени? Этот подход оказался «волшебно эффективным».
Команда Бастингс сообщает о первой методике получения мультимерных аптамеров, которые с беспрецедентной точностью и функциональностью нацелены на белковые комплексы. Метод получил название MEDUSA (Multivalent Evolved DNA-based SUpramolecular Assemblies).
Связывающие агенты, разработанные с помощью этого подхода, демонстрируют аффинность связывания, которая в 10–1000 раз сильнее, чем у моновалентных агентов. Помимо большей силы, они оказались гораздо более селективными, что критически важно для диагностики.
Исследование опубликовано в Nature Nanotechnology.
Биовдохновленный подход
Ключом к созданию тримерных связывающих агентов является скаффолд (каркас) — молекулярная структура, вокруг которой естественным образом собираются три связывающих модуля. В экспериментах исследователи разработали свой скаффолд на основе геометрии шиповидного белка SARS-CoV-2.
Добавляя эти специфичные скаффолды в библиотеку аптамеров, команда смогла с самого начала сместить пространство последовательностей в сторону тримерных кандидатов, которые функционально связываются с целевым интерфейсом.
«Мы ретроинженерили естественную парадигму, наблюдаемую у вирусов, где мультивалентные молекулярные комплексы коэволюционируют, и перевели ее в новый метод обнаружения связывающих агентов», — поясняет аспирант и первый автор статьи Артем Кононенко.
После идентификации первой партии связывающих агентов кандидаты с возрастающим сродством к мишени развиваются в итеративном процессе отбора и амплификации, называемом «эволюцией».
Хотя разработка новых скаффолдов может занять несколько часов, процесс эволюции может длиться недели. В будущем исследовательская группа намерена сократить это время, чтобы лучше соответствовать потребностям биомедицинской диагностики и терапии.
Другая цель — разработать мультимерные связывающие агенты для патогенов с еще более сложной конфигурацией, таких как лихорадка Денге (шесть субъединиц связывания) или сибирская язва (семь).
«В конечном итоге мы хотим использовать это новое мультивалентное пространство последовательностей для обучения генеративных моделей искусственного интеллекта, чтобы они делали это за нас», — говорит Бастингс.