Aby zrozumieć najnowocześniejsze badania Johna Chaputa dotyczące wykorzystania genetyki syntetycznej w odkrywaniu i opracowywaniu leków farmaceutycznych, poszukaj czynnika X.

Chaput jest profesorem nauk farmaceutycznych UCI, a jego laboratorium jest jednym z niewielu miejsc na świecie, gdzie studenci mogą badać ewolucję sztucznych polimerów genetycznych. Cząsteczki te są syntetycznymi formami sekwencji genetycznych, które zawierają alternatywny cukier zamiast naturalnego cukru dezoksyrybozy występującego w DNA. „Tak jak D w DNA oznacza dezoksyrybozę, nasze polimery są powszechnie postrzegane jako XNA, gdzie X jest symbolem zastępczym dla twojego ulubionego cukru” — wyjaśnia.

Czynnikiem X Chaputa jest treoza cukrowa, którą on i jego studenci wykorzystują do syntezy elementów budulcowych TNA w celu opracowania nowej generacji środków diagnostycznych i terapeutycznych w znacznie szybszym tempie i przy niższych kosztach niż tradycyjnymi metodami. „To było 20 lat starań, aby osiągnąć to, gdzie jesteśmy”, mówi, „ale teraz mamy narzędzia potrzebne do tworzenia nowych odczynników TNA”.

Czynnik X (rzeczownik): zmienna w danej sytuacji, która może mieć najbardziej znaczący wpływ na wynik

Uważany za pioniera w dziedzinie genetyki syntetycznej, Chaput doskonalił swoje umiejętności ewolucji białek jako członek Instytutu Medycznego Howarda Hughesa na Wydziale Biologii Molekularnej i Genetyki Harvard Medical School, gdzie pracował pod kierunkiem laureata Nagrody Nobla Jacka Szostaka. Po dziesięciu latach pracy na wydziale na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie Chaput dołączył do UCI w 2015 r. W 2018 r. został mianowany członkiem American Association for the Advancement of Science Fellow za wybitny wkład w dziedzinę biologii chemicznej. Niedawno otrzymał nagrodę Distinguished Mid-Career Wydziału 2022-23 za badania od Senatu Akademickiego UCI.

Jaką przewagę ma XNA nad tradycyjnymi kandydatami w formułowaniu leków?

Kiedy chcesz zrobić lek z DNA lub RNA, zadajesz dwa fundamentalne pytania: Jak sprawić, by zadziałał i jak sprawić, by trwał w komórce, aby działał tak, jak powinien?

Gdy tylko wprowadzisz do organizmu pacjenta molekuły oparte na DNA i RNA, naturalne enzymy organizmu próbują przetworzyć je we własne elementy budulcowe. Te enzymy, zwane nukleazami, są trochę jak Pac-Man; po prostu żują molekuły. To ciągła walka. XNA mają różne właściwości, które nie są rozpoznawane przez enzymy; są zasadniczo niewidoczne, ponieważ natura nigdy ich nie widziała ani nie ewoluowała, aby na nie reagować. W szczególności TNA wywołuje bardzo niską reakcję, więc pod tym względem jest bardzo obiecującym kandydatem. Zamiast tego możemy skupić się na pierwszym pytaniu: Jak mogę to uruchomić?

Jakie różne podejścia stosujesz z XNA w swoim laboratorium?

Jednym z podejść jest tworzenie aptamerów, które są sekwencjami XNA, które ewoluujemy, aby rozpoznawać i wiązać się z określonym celem. Jeśli uda ci się zmusić aptamer do wiązania się z białkiem związanym z chorobą, zapobiegniesz wiązaniu tego białka z innymi receptorami i rozprzestrzenianiu się choroby.

John Chaput w laboratorium. Steve Zylius / UCI

Wyobrażamy sobie, że aptamery są potencjalnie lepszym i tańszym rozwiązaniem niż przeciwciała monoklonalne, które są niesamowitymi lekami, ale niezwykle drogimi do odkrycia i wyprodukowania. Nawiązaliśmy współpracę z dużą firmą technologiczną z Doliny Krzemowej, aby połączyć naszą pracę nad rozwojem aptamerów w laboratorium z możliwościami uczenia maszynowego. Mamy nadzieję, że przyspieszy to proces odkrywania leków, ponieważ skróci czas iteracji i poszerzy liczbę warunków, które można zbadać dla dowolnego celu.

Pracujemy również nad nową klasą środków terapeutycznych zwanych enzymami DNA lub w skrócie DNAzymami. Mogą wyciszyć ekspresję białek związanych z chorobą spowodowaną pojedynczą mutacją genetyczną w czyimś DNA lub informacyjnym RNA. DNAzymy przecinałyby sekwencję genetyczną związaną z mutacją i zamykały chorobę, ale jednocześnie zachowywały i napędzały zdrowe nici. Nasze wersje wprowadzają XNA do projektu enzymu, aby zapewnić takie cechy, jak zwiększona stabilność biologiczna lub zwiększone powinowactwo wiązania RNA. DNAzymy to podejście medycyny precyzyjnej, które potencjalnie można zastosować w przypadku szeregu chorób, w tym raka.

Nasza strategia DNAzyme jest również wykorzystywana do opracowywania czujników diagnostycznych do wykrywania chorób. Stworzyliśmy test COVID-19 oparty na DNAzymie, który zidentyfikował ze 100-procentową dokładnością określone mutacje genetyczne związane z wariantami alfa, gamma, delta, epsilon i omicron SARS-CoV-2 w próbie 34 pacjentów. Istnieje możliwość rozszerzenia go na inne infekcje dróg oddechowych, które mają podobne objawy jak COVID-19, takie jak grypa.

„Kiedy chcesz zrobić lek z DNA lub RNA, zadajesz dwa fundamentalne pytania: Jak sprawić, by zadziałał i jak sprawić, by trwał w komórce, aby działał tak, jak powinien? ”

XNA jest również bardzo obiecujące w zupełnie innym obszarze: przechowywaniu danych archiwalnych. Jak to działa?

Ludzkość generuje dane w tempie wykładniczym, które przewyższa nasze możliwości przechowywania tych informacji. Naukowcy opracowali algorytmy, które rozkładają binarne jedynki i zera używane do obliczania kodu i przekształcają je w czteroliterowy kod nukleotydowy DNA: A, T, C i G. Możesz użyć tego kodowania do transkrypcji czegokolwiek na nić DNA : film, książka, obraz. Być może będziesz w stanie przechowywać Bibliotekę Kongresu w DNA z wystarczającymi postępami.

Wyzwanie brzmi: co się stanie, jeśli enzym dostanie się do DNA i go degraduje? Nagle, puf, pojawia się Biblioteka Kongresu. Jak wiemy z naszych badań, XNA, z którym pracujemy, TNA, jest całkowicie niewidoczny dla tych enzymów, które degradują DNA, a TNA zawiera również A, T, C i G. Przetestowaliśmy ten mechanizm poprzez transkrypcję Deklaracji Niepodległości i pieczęć UCI do roztworu TNA. Informacje zakodowane w TNA były w 100 procentach nienaruszone i w 100 procentach możliwe do odzyskania. Pokazaliśmy, że TNA może być biologicznie bezpiecznym, niskoenergetycznym nośnikiem do przechowywania informacji. Przechowywanie danych nie jest głównym celem tego, co robimy, ale był to zabawny projekt poboczny.