Dank einer zufälligen Entdeckung und viel akribischer Arbeit können Wissenschaftler nun Biohybridmoleküle bauen, die die Zielfindungsfähigkeiten der DNA mit dem breiten Funktionsrepertoire von Proteinen kombinieren – ohne sie einzeln synthetisieren zu müssen, berichten Forscher in einer neuen Studie. Mithilfe eines natürlich vorkommenden Prozesses können Labore die vorhandenen Molekülbildungsfähigkeiten von Bakterien nutzen, um riesige Bibliotheken potenziell therapeutischer DNA-Protein-Hybridmoleküle zu erzeugen.
Die Ergebnisse sind ausführlich im Journal Natur Chemische Biologie.
„Zwei der häufigsten Bausteine in der Biologie sind Nukleinsäuren – die zur Herstellung von RNA und DNA verwendet werden – und Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen“, sagte Satish Nair, Professor für Biochemie an der University of Illinois Urbana-Champaign, der die Studie zusammen mit dem Postdoktoranden Zeng-Fei Pei leitete.
„Wir haben diese beiden Arten biologischer Moleküle, die sehr unterschiedliche Dinge tun, und seit Jahrzehnten versuchen Chemiker, sie in dasselbe Molekül zu integrieren. Wenn man ein komplexes Protein herstellen und dann eine Nukleinsäure darauf platzieren kann, die dafür sorgt, dass es genau dorthin gelangt, wo man es haben möchte, weil es an bestimmte Bereiche der DNA oder RNA bindet, kann man ein Präzisionsmedikament bauen.“
Mit solchen Medikamenten ließen sich verschiedene krankheitsfördernde Prozesse in der Zelle unterbrechen, etwa indem sie die Transkription mutierter Gene blockieren oder sich an pathogene, nicht-kodierende RNA-Moleküle binden und so deren Aktivität stoppen, sagte Nair.
Die ursprüngliche Entdeckung sei ein glücklicher Zufall gewesen, sagte er. Er und seine Kollegen hatten nach Proteinen gesucht, die an Metalle binden, als ihnen auffiel, dass ein Team am John Innes Centre in Norwich, England, über ein interessantes, von Bakterien erzeugtes Molekül berichtet hatte, das ein DNA-Protein-Hybrid zu sein schien.
Das Team aus Illinois kontaktierte die Wissenschaftler des Innes Centre, Natalia Vior und Andrew Truman, und schlug vor, das Molekül noch einmal zu untersuchen, um festzustellen, ob es tatsächlich das war, was es zu sein schien. Nachdem diese erste Entdeckung bestätigt war, führten die amerikanischen und englischen Wissenschaftler gemeinsam eine eingehendere Analyse durch, um die molekularen Mechanismen zu entdecken, die das Hybrid gebildet hatten.
Das Auffinden eines natürlich vorkommenden DNA-Protein-Hybrids und die Ermittlung, wie ein Bakterium dazu gebracht werden kann, dieses Hybrid herzustellen, würde den derzeit langsamen und arbeitsintensiven Prozess rationalisieren, sagte Nair.
„Viele hochkarätige Laboratorien auf der ganzen Welt haben verschiedene synthetische chemische Methoden verwendet, um biohybride Moleküle herzustellen, und das ist großartig: Sie alle haben den Machbarkeitsnachweis erbracht und es funktioniert“, sagte er. „Das Problem ist, dass man das nicht im großen Maßstab machen kann. Man kann nicht 100 Millionen Verbindungen herstellen, denn dazu müsste man die chemische Synthese 100 Millionen Mal durchführen.“
In einer Reihe von Experimenten stellten Nair und seine Kollegen fest, dass zwei bakterielle Enzyme gemeinsam bestimmte Peptide in DNA-Protein-Hybride umwandeln. Das erste Enzym, YcaO, modifiziert eine Aminosäure im Peptid, um das Peptid in eine Ringstruktur umzuwandeln, ähnlich den Basen, die es DNA und RNA ermöglichen, sich mit anderen DNA- oder RNA-Molekülen zu paaren. Das zweite Enzym ist eine Protease, die einen Teil des neu modifizierten Moleküls abschneidet und es in ein voll funktionsfähiges Nukleobasen-Protein-Hybrid umwandelt.
Dem Team gelang es, die Umwandlung im Reagenzglas durchzuführen, indem es nur drei Zutaten hinzufügte: das ursprüngliche Peptid und die beiden Enzyme. Sie konnten aber auch nachweisen, dass der Prozess vom Bakterium E. coli durchgeführt werden kann.
Das Verständnis dieses Prozesses werde es Laboren ermöglichen, Hybridmoleküle zu erzeugen, die sich an jede beliebige Region des Genoms oder an jedes beliebige RNA-Molekül in Zellen anheften können, sagte Nair. Die Verwendung von Bakterien zur Optimierung der Pipeline werde den Entdeckungsprozess beschleunigen.
„Jetzt geht es los“, sagte er. Nair ist außerdem Professor für Chemie und am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology der Universität von Indiana.
Weitere Informationen:
Pei Z.-F. et al. Biosynthese von Peptid-Nukleobasen-Hybriden in ribosomalen Peptiden, Natur Chemische Biologie (2024). DOI: 10.1038/s41589-024-01736-9