Zyklische Peptide weisen häufig eine geringe Membrandurchlässigkeit auf, die durch Amid-zu-Ester-Substitutionen deutlich verbessert werden kann, wie Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) gezeigt haben. Die in einer neuen Studie gezeigte Verwendung von Substitutionen kann verwendet werden, um zyklische Peptide mit hoher Membranpermeabilität und oraler Bioverfügbarkeit für klinische und therapeutische Anwendungen zu entwickeln.
Das Interesse an zyklischen Peptiden, einer Klasse organischer Moleküle, hat in letzter Zeit einen neuen Höchststand erreicht. Ihre Fähigkeit als Inhibitoren hat sie zu potenziellen Kandidaten für klinische und therapeutische Anwendungen gemacht. Im Gegensatz zu ihren linearen Gegenstücken sind Peptide mit Makrocyclisierung widerstandsfähiger gegen Proteolyse – den Zerfall von Peptiden in Aminosäuren in Gegenwart von Enzymen – was sie im Blutstrom stabil macht, eine erwünschte Eigenschaft für jedes Material, das für therapeutische Zwecke verwendet wird.
Allerdings ist die Membranpermeabilität – die Fähigkeit eines Moleküls, Zellmembranen in unserem Körper zu passieren – zyklischer Peptide im Allgemeinen recht gering. Dieser Nachteil erschwert nicht nur die Formulierung von oral bioverfügbaren Peptiden, sondern beeinträchtigt auch stark ihre Fähigkeit, auf intrazelluläre Proteinwechselwirkungen abzuzielen.
Andererseits zeigen einige natürliche zyklische Peptide eine große Membranpermeabilität und orale Bioverfügbarkeit. Diese natürlich vorkommenden membrandurchlässigen zyklischen Peptide haben oft N-Methylamidbindungen, Esterbindungen oder beides an ihrem Rückgrat anstelle von Amidbindungen, die für Aminosäuren in Proteinen und Peptiden am häufigsten vorkommen. Während Studien die Auswirkungen der N-Methylierung auf zyklische Peptide untersucht haben, blieb die Auswirkung der Amid-zu-Ester-Substitution unerforscht.
Bis eine multinationale und interdisziplinäre Gruppe von Forschern der Tokyo Tech, der University of Tokyo und der University of California, Santa Cruz, zusammenkam, um das Unbekannte zu entdecken. In ihrem jüngsten Durchbruch, veröffentlicht in Naturkommunikationberichtete das Team über eine direkte Bewertung von Amid-zu-Ester-Substitutionen und ihrer Wirkung auf die Membranpermeabilität von zyklischen Peptiden.
Prof. Yutaka Akiyama von Tokyo Tech, ein korrespondierender Autor dieser Veröffentlichung, erklärt: „Wir wissen, dass natürlich vorkommende Depsipeptide, das sind Peptide, bei denen eine oder mehrere Amidbindungen durch eine Esterbindung ersetzt sind, eine hohe Membrandurchlässigkeit aufweisen warum unser Team beschlossen hat, zu prüfen, ob Amid-zu-Ester-Substitutionen die Membranpermeabilität verbessern können. Im Team haben die Wissenschaftler von Tokyo Tech eine neu entwickelte Methode für Enhanced Sampling Molecular Dynamics (MD)-Simulationen eingesetzt, um den dahinter stehenden Mechanismus aufzuklären.“
Das Team synthetisierte zunächst eine Reihe von Modelldipeptiden und deren Derivaten, die Amid-zu-Ester-Substitutionen enthielten. Anschließend verglichen sie die Membranpermeabilität dieser Peptide unter Verwendung von Nasslabortechniken und stellten fest, dass die substituierten Dipeptide eine signifikant höhere Membranpermeabilität aufwiesen.
Um den Umfang dieser Substitutionen besser zu verstehen, probierte das Team den Austausch von Amid zu Ester an größeren zyklischen Hexapeptiden aus. Die Ergebnisse zeigten, dass die Amid-zu-Ester-Substitution die Membranpermeabilität zyklischer Hexapeptide viel stärker als der herkömmliche N-Methylierungsprozess verbesserte.
Das Team führte außerdem erweiterte MD-Sampling-Simulationen an drei zyklischen Hexapeptiden (CP1, DP1 und MP1) unter Verwendung des TSUBAME3.0-Supercomputers an der Tokyo Tech durch. Die groß angelegten Simulationen zeigten, dass die substituierten Peptide in wässriger Lösung und an der Membranschnittstelle dynamisch zwischen ihrer offenen und geschlossenen Konformation wechseln. Sie zeigten auch, dass die Amin-zu-Ester-Substitution zu einer entsprechenden Verringerung der freien Energiebarriere für die substituierten Peptide führte, was zu ihrer verbesserten Membranpermeabilität führte.
Die Erkenntnisse aus dieser Studie könnten dazu beitragen, den Nutzen zyklischer Peptide zu erweitern, indem sie eine einfache Lösung für das Problem der geringen Permeabilität bieten. „Wir stellen uns vor, dass diese Amid-zu-Ester-Substitutionsstrategie für die Entwicklung von Peptiden mit besserer oraler Bioverfügbarkeit, der Fähigkeit, auf intrazelluläre Biomoleküle zu zielen, oder beidem, genutzt wird“, schließt Prof. Akiyama.
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Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36978-z