„Programmierbare Molekularschere“ könnte bei der Bekämpfung der COVID-19-Infektion helfen

Cambridge-Wissenschaftler haben mithilfe der synthetischen Biologie künstliche Enzyme entwickelt, die darauf programmiert sind, auf den genetischen Code von SARS-CoV-2 abzuzielen und das Virus zu zerstören, ein Ansatz, der zur Entwicklung einer neuen Generation antiviraler Medikamente verwendet werden könnte.

Enzyme sind natürlich vorkommende biologische Katalysatoren, die die für das Funktionieren unseres Körpers erforderlichen chemischen Umwandlungen ermöglichen – von der Übersetzung des genetischen Codes in Proteine ​​bis hin zur Verdauung von Nahrung. Obwohl die meisten Enzyme Proteine ​​sind, werden einige dieser entscheidenden Reaktionen durch RNA katalysiert, eine chemische Cousine der DNA, die sich zu Enzymen falten kann, die als Ribozyme bekannt sind. Einige Klassen von Ribozymen sind in der Lage, auf spezifische Sequenzen in anderen RNA-Molekülen abzuzielen und sie präzise zu schneiden.

Im Jahr 2014 entdeckten Dr. Alex Taylor und Kollegen, dass künstliches genetisches Material, das als XNA bekannt ist – mit anderen Worten, synthetische chemische Alternativen zu RNA und DNA, die nicht in der Natur vorkommen – verwendet werden könnte, um die weltweit ersten vollständig künstlichen Enzyme herzustellen, die Taylor benannte XNAzymes.

Am Anfang waren XNAzymes ineffizient und erforderten unrealistische Laborbedingungen, um zu funktionieren. Anfang dieses Jahres jedoch sein Labor berichteten über eine neue Generation von XNAzymes, entwickelt, um unter Bedingungen in Zellen viel stabiler und effizienter zu sein. Diese künstlichen Enzyme können lange, komplexe RNA-Moleküle schneiden und sind so präzise, ​​dass sie erkennen, dass sie nicht schneiden müssen, wenn sich die Zielsequenz nur um ein einziges Nukleotid (die grundlegende Struktureinheit der RNA) unterscheidet. Das bedeutet, dass sie so programmiert werden können, dass sie mutierte RNAs angreifen, die an Krebs oder anderen Krankheiten beteiligt sind, und normale RNA-Moleküle in Ruhe lassen.

Nun, in einer heute veröffentlichten Studie in NaturkommunikationTaylor und sein Team vom Cambridge Institute of Therapeutic Immunology & Infectious Disease (CITIID), University of Cambridge, berichten, wie sie diese Technologie eingesetzt haben, um lebende SARS-CoV-2-Viren erfolgreich zu „töten“.

Taylor, ein Sir Henry Dale Fellow und Affiliated Researcher am St. John’s College, Cambridge, sagte: „Einfach gesagt sind XNAzymes molekulare Scheren, die eine bestimmte Sequenz in der RNA erkennen und dann zerhacken. Sobald Wissenschaftler die RNA-Sequenz von veröffentlicht haben SARS-CoV-2, wir haben angefangen, nach Sequenzen zu suchen, die unsere XNAzymes angreifen können.“

Während diese künstlichen Enzyme so programmiert werden können, dass sie spezifische RNA-Sequenzen erkennen, ändert sich der katalytische Kern des XNAzyme – die Maschinerie, die die „Schere“ bedient – ​​nicht. Dies bedeutet, dass die Entwicklung neuer XNAzymes in weitaus kürzerer Zeit erfolgen kann, als dies normalerweise für die Entwicklung antiviraler Medikamente erforderlich ist.

Wie Taylor erklärte: „Es ist, als hätte man eine Schere, bei der das Gesamtdesign gleich bleibt, man aber die Klingen oder Griffe je nach Material, das man schneiden möchte, wechseln kann. Die Stärke dieses Ansatzes liegt darin, dass ich sogar alleine darin arbeiten kann Labor zu Beginn der Pandemie konnte ich innerhalb weniger Tage eine Handvoll dieser XNAzyme generieren und screenen.“

Taylor tat sich dann mit Dr. Nicholas Matheson zusammen, um zu zeigen, dass seine XNAzymes gegen lebende SARS-CoV-2-Viren aktiv waren, und nutzte dabei das hochmoderne Containment Level 3-Labor von CITIID – die größte akademische Einrichtung zur Untersuchung biologischer Hochrisiken Erreger wie SARS-CoV-2 im Land.

„Es ist wirklich ermutigend, dass wir sie zum ersten Mal – und das war ein großes Ziel auf diesem Gebiet – tatsächlich als Enzyme in Zellen arbeiten lassen und die Replikation lebender Viren hemmen“, sagte Dr. Pehuén Pereyra Gerber, der die Experimente durchführte zu SARS-CoV-2 in Mathesons Labor.

„Was wir gezeigt haben, ist ein Beweis für das Prinzip, und wir befinden uns noch in den Anfängen“, fügte Matheson hinzu, „es sei jedoch daran erinnert, dass die erstaunlich erfolgreichen COVID-19-Impfstoffe von Pfizer und Moderna selbst auf synthetischen RNA-Molekülen basieren – es ist also ein ein wirklich spannendes und sich schnell entwickelndes Feld mit enormem Potenzial.“

Taylor überprüfte die viralen Zielsequenzen anhand von Datenbanken menschlicher RNAs, um sicherzustellen, dass sie nicht in unserer eigenen RNA vorhanden waren. Da die XNAzyme hochspezifisch sind, sollte dies theoretisch einige der „Off-Target“-Nebenwirkungen verhindern, die ähnliche, weniger genaue Molekulartherapeutika verursachen können, wie z. B. Lebertoxizität.

SARS-CoV-2 hat die Fähigkeit, sich weiterzuentwickeln und seinen genetischen Code zu verändern, was zu neuen Varianten führt, gegen die Impfstoffe weniger wirksam sind. Um dieses Problem zu umgehen, zielte Taylor nicht nur auf Regionen der viralen RNA ab, die weniger häufig mutieren, sondern entwarf auch drei der XNAzymes, die sich selbst zu einer „Nanostruktur“ zusammensetzen, die verschiedene Teile des Virusgenoms schneidet.

„Wir zielen auf mehrere Sequenzen ab, damit das Virus der Therapie entgehen kann, müsste es an mehreren Stellen gleichzeitig mutieren“, sagte er. „Im Prinzip könnte man viele dieser XNAzyme zu einem Cocktail kombinieren. Aber selbst wenn eine neue Variante auftaucht, die das umgehen kann, weil wir den katalytischen Kern bereits haben, können wir schnell neue Enzyme herstellen, um ihnen einen Schritt voraus zu sein es.“

XNAzymes könnten möglicherweise als Arzneimittel verabreicht werden, um Menschen zu schützen, die COVID-19 ausgesetzt sind, um zu verhindern, dass sich das Virus ausbreitet, oder um Patienten mit Infektionen zu behandeln und dabei zu helfen, den Körper vom Virus zu befreien. Dieser Ansatz könnte besonders wichtig für Patienten sein, die aufgrund eines geschwächten Immunsystems kämpfen, um das Virus zu beseitigen alleine.

Der nächste Schritt für Taylor und sein Team besteht darin, XNAzyme herzustellen, die noch spezifischer und robuster sind – „kugelsicher“, wie er sagt –, die es ihnen ermöglichen, länger im Körper zu bleiben und in geringeren Dosen als noch wirksamere Katalysatoren zu wirken.