Фото носит иллюстративный характер. Из открытых источников.
Фото носит иллюстративный характер. Из открытых источников.

Институт биоорганической химии НАН Беларуси занимается изучением и синтезом нуклеозидов на протяжении длительного времени. В 2004 году за разработки в этой сфере коллективу ученых была присуждена Государственная премия. А по итогам 2020-го обнаруженный ими феномен ускорения фосфоролиза нуклеозидов за счет использования анионообменников вошел в топ-10 результатов деятельности ученых НАН Беларуси. Подробнее об этой технологии и изучении нуклеозидов в целом корреспонденту «МВ» рассказал главный научный сотрудник института, член-корреспондент НАН Беларуси, доктор химических наук, профессор Игорь Михайлопуло.

 

6 михайлопулоИгорь Михайлопуло, главный научный сотрудник института, член-корреспондент НАН Беларуси, доктор химических наук, профессор

Мировой старт для исследований

 

Чем был вызван интерес к нуклеозидам? Прежде всего они являются основными компонентами нуклеиновых кислот, ДНК и РНК.

 

В конце 1940-х годов в результате изучения механизма действия сульфаниламидных препаратов была высказана «антиметаболитная» идея создания лекарств: замена в молекуле природного соединения, метаболита, некоторых атомов или атомных групп на другие приводит к аналогу природного соединения, антиметаболиту, способному ингибировать функцию метаболита. Эта идея привлекла внимание исследователей, изучавших структуру основных компонентов нуклеиновых кислот — нуклеозидов. Был осуществлен синтез аналогов и обнаружена высокая цитотоксичность в отношении опухолевых клеток. Этот результат, опубликованный в 1945 году сотрудниками Wellcome Research Laboratory (США), положил начало неиссякаемому интересу к синтезу и изучению биологических свойств аналогов природных нуклеозидов.

 

Пионерские исследования упомянутой лаборатории развивались успешно, привели к созданию 7 лекарственных препаратов, и ведущие сотрудники лаборатории Гертруда Элайон и Джон Хитчингс были удостоены в 1988 году Нобелевской премии «За открытие важных принципов лекарственной терапии». К слову, все созданные препараты и сегодня находятся в арсенале медиков, в том числе противоопухолевый неларабин, противовирусный ацикловир, иммуносупрессант азатиоприн и другие. Интересно, что создание противовирусных лекарств на основе «антиметаболитной» идеи считалось невозможным вплоть до середины 1950-х годов вследствие близкого с биохимической точки зрения подобия репликации вируса и метаболизма ДНК и РНК в клетках млекопитающих. Позднее этот пессимизм был развеян. Было установлено, что ферменты в том и другом случае по своей специфичности отличаются, и это дает основание для получения препаратов, действие которых избирательно направлено на ферменты-мишени вирусов.

 

В настоящее время нуклеозиды являются лидирующими соединениями в области создания препаратов для лечения ВИЧ, гепатитов В и С и ряда других вирусных инфекций. К слову, сейчас проходят клинические испытания четырех препаратов нуклеозидной природы против COVID-19.

 

Опыт белорусских ученых

 

В Институте биоорганической химии исследования в области химии компонентов нуклеиновых кислот были начаты с самого основания в 1974 году.

 

К тому времени было очевидно, что успех в создании новых препаратов в этой области может быть достигнут в результате тесного сотрудничества химиков и биохимиков, с одной стороны, и квалифицированного тестирования биологической активности полученных препаратов — с другой.

 

Это исключительно трудная задача, если принять во внимание мировые тенденции развития фармацевтической промышленности. Поэтому усилия были сосредоточены на разработке эффективных химических методов синтеза нуклеозидов и кооперации с коллегами других специальностей для получения практически значимых результатов. Однако анализ возможностей химического синтеза нуклеозидов говорил о наличии серьезных типичных проблем, таких как отсутствие четкой специфичности ряда химических превращений, и не менее важных требований к экологичности химических технологий. Необходимость замещения химических трансформаций ферментативными была очевидной.

 

Направление биотехнологии компонентов нуклеиновых кислот представляет значительный интерес для создания эффективных технологий производства лекарственных средств, а также с точки зрения экологии. Следует подчеркнуть, что исследования по химии и биохимии развивались параллельно и успехи в создании новых препаратов определяются тесным сотрудничеством этих двух направлений. Работы в данной области в Институте биоорганической химии были начаты в середине 1980-х годов совместно с Институтом микробиологии НАН Беларуси.

 

Первоначально в качестве биокатализаторов использовались селекционированные клетки E. coli, были разработаны эффективные методы синтеза ряда известных лекарственных средств. В этих работах преимущества биотехнологических методов над химическими были убедительно продемонстрированы на ряде примеров.

 

Дальнейшим развитием исследований в области биотехнологии компонентов нуклеиновых кислот явилось использование рекомбинантных ферментов, изучение механизма их действия с целью более полной реализации биокаталитического потенциала ферментов. В 2006 году сотрудниками двух институтов биоорганической химии — НАН Беларуси и РАН — была предложена стратегия каскадного синтеза нуклеозидов, которая состоит в использовании ряда ферментов в одной колбе для последовательного превращения D-фураноз в нуклеозиды.

 

Исключительно высокая эффективность данной стратегии была показана на примере синтеза различных нуклеозидов и существенно расширила возможности новых производных и аналогов природных нуклеозидов. Эта работа была удостоена премии двух академий в 2015 году за разработку «Мультиферментное каскадное превращение углеводов в нуклеозиды: новая стратегия синтеза биологически важных нуклеозидов».

 

В настоящее время исследования в области биотехнологии компонентов нуклеиновых кислот интенсивно развиваются в мире. Поиск новых биокатализаторов, ферментов из различных микроорганизмов и растений в комбинации с разработкой новых способов их использования (свободные ферменты, иммобилизованные на различных носителях и т. д.) дают исключительно важные результаты. Вместе с тем по мере продвижения по пути разработки новых методов синтеза проявляются некоторые узкие места, присущие ферментам. Так, например, многие ферменты катализируют с одинаковой эффективностью как прямую, так и обратную реакцию. К таким ферментам относятся нуклеозиды фосфорилазы различной природы, которые являются очень важными биокатализаторами. 

 

Анализ механизма функционирования пурин-нуклеозид-фосфорилазы (ПНФ) из E. coli позволил предложить новый подход к использованию этого фермента в биотехнологии нуклеозидов, который состоит в применении анионообменных смол в качестве носителей субстратов реакции, катализируемой ПНФ. На примере синтеза известных противоопухолевых препаратов, а также биологически важных нуклеозидов и ключевых промежуточных соединений была показана возможность сместить реакцию в желаемом направлении. Эта работа была опубликована в журнале The Beilstein Journal of Organic Chemistry и вошла в топ-10 результатов деятельности ученых НАН Беларуси за 2020 год.

 

Исследования последних лет Института биоорганической химии НАН Беларуси в области биотехнологии нуклеозидов проводятся в сотрудничестве с отделом биотехнологии Института биоорганической химии академиков им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН и в рамках проекта «Энзиматический синтез липонуклеотидов и установление их резистентности к действию панкреатической фосфолипазы А2», который был поддержан президиумом НАН Беларуси (научный руководитель доктор хим. наук Наталья Литвинко). Эти исследования продолжаются, и авторы надеются на получение новых значимых результатов.

 


Недостаточно прав для комментирования

При копировании или цитировании текстов активная гиперссылка обязательна. Все материалы защищены законом Республики Беларусь «Об авторском праве и смежных правах».