Para ilmuwan telah menemukan bagaimana bakteri secara alami membuat berbagai versi obat kanker yang ampuh, memecahkan misteri yang membuat penasaran para peneliti selama beberapa dekade. Penemuan ini dapat membantu mempercepat pengembangan pengobatan baru terhadap kanker yang masih sulit diobati.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan berharap dapat memanfaatkan enzim bakteri untuk menciptakan varian obat baru melalui proses yang disebut biosintesis kombinatorial. Namun, kemajuannya masih terbatas karena para peneliti belum sepenuhnya memahami bagaimana enzim mengoordinasikan pekerjaannya.
Diterbitkan di Komunikasi alamiStudi baru ini mengungkapkan bagaimana enzim bakteri berkomunikasi satu sama lain untuk menyusun senyawa antikanker yang berkerabat dekat. Keluarga ini termasuk Romidepsin (Istodax), pengobatan yang disetujui FDA untuk kanker darah tertentu. Dengan menemukan sistem “paduan dan mencocokkan” alami ini dan mereproduksi prinsip-prinsip dasarnya di laboratorium, para peneliti telah menetapkan strategi baru untuk merancang terapi kanker di masa depan.
“Selama beberapa dekade kita telah mengetahui bahwa bakteri secara alami dapat menghasilkan berbagai versi obat antikanker yang kuat, namun kita tidak tahu bagaimana mereka melakukannya,” kata penulis pertama Dr Munro Passmore, seorang peneliti di Departemen Kimia di Universitas Warwick. “Pekerjaan ini akhirnya memecahkan kode tersebut. Kami telah mengidentifikasi bagaimana berbagai enzim berkomunikasi dan bekerja sama untuk menghasilkan varian obat ini, sesuatu yang luput dari perhatian para peneliti karena sistemnya sangat elegan dan hemat biaya. Ini adalah terobosan yang kami perlukan untuk merancang obat ini sendiri.”
Konektor molekuler kecil mengungkap strategi pembuatan obat alami
Para peneliti telah menemukan bahwa wilayah molekul kecil yang disebut “domain dok” berfungsi sebagai penghubung antara mesin pembuat obat utama dan enzim yang bertanggung jawab untuk menambahkan komponen berbeda. Domain dok ini berbagi titik koneksi yang dilestarikan yang memungkinkan mereka berinteraksi dengan banyak mitra enzimatik.
Desain fleksibel ini menjelaskan bagaimana bakteri dapat membuat berbagai molekul obat terkait sambil menjaga presisi yang diperlukan agar senyawa tetap efektif.
Studi ini juga menyoroti evolusi sistem produksi obat alami. Menurut para peneliti, senyawa yang baru diidentifikasi kemungkinan besar berkembang dari jalur produksi obat terkait melalui duplikasi dan rekombinasi gen seiring berjalannya waktu.
Profesor Greg Challis, Profesor Kimia Berkelanjutan Monash Warwick Alliance di Universitas Warwick dan Universitas Monash, menyimpulkan: “Penelitian ini memberi kita cetak biru untuk melakukan apa yang alam lakukan, namun lebih baik dan lebih cepat. Dengan merekayasa balik logika evolusi alam, kita sekarang dapat merancang jalur sintetik yang menghasilkan kandidat obat antikanker baru dengan sifat yang dioptimalkan untuk penggunaan klinis, seperti potensi lebih tinggi, selektivitas lebih baik, dan efek samping lebih sedikit. Kita memiliki kebutuhan mendesak. Penemuan ini menggerakkan kita dari memahami cara kerja sistem hingga membangun sistem baru. »
Bagaimana penemuan ini dapat meningkatkan pengembangan obat kanker
Penelitian ini berfokus pada kelas obat kanker yang disebut inhibitor HDAC. Obat-obatan ini memblokir histone deacetylases, enzim yang membantu mengatur gen mana yang diaktifkan atau dinonaktifkan di dalam sel. Romidepsin (Istodax) adalah penghambat HDAC yang disetujui FDA yang digunakan untuk mengobati limfoma sel T.
Senyawa kimia yang disebut FR-901375 telah dikenal selama beberapa dekade, namun para ilmuwan belum pernah mengidentifikasi jalur biologis yang digunakan bakteri untuk memproduksinya. Penelitian ini akhirnya mengisi bagian yang hilang ini.
Seperti inhibitor HDAC lain dalam keluarganya, FR-901375 termasuk dalam kelompok molekul siklik kompleks yang disebut depsipeptida. Senyawa-senyawa ini disusun dari bahan penyusun asam amino serta farmakofor asam hidroksi yang dilestarikan, semuanya dihubungkan oleh kombinasi ikatan peptida dan ester.
Di dalam bakteri, molekul-molekul ini dibangun oleh kompleks protein masif yang disebut hibrida PKS-NRPS, yang menggabungkan aktivitas poliketida sintase (PKS) dan nonribosomal peptida sintetase (NRPS). Penelitian baru menunjukkan bahwa kunci dari proses perakitan ini terletak pada domain docking, yang bertindak sebagai konektor molekuler yang memungkinkan satu bagian rantai produksi mengenali dan meneruskan produknya ke bagian berikutnya. Mekanisme ini memungkinkan biosintesis kombinatorial dan memungkinkan bakteri menghasilkan berbagai varian obat secara alami.
Bagaimana para peneliti memecahkan misteri tersebut
Untuk mengetahui cara kerja sistem ini, tim menggabungkan biologi struktural, biokimia, genetika, dan pemodelan komputer.
Pekerjaan mereka meliputi:
- Pencarian bioinformatik di database publik yang mengidentifikasi kelompok gen biosintetik FR-901375 di Pseudomonas klororapis subspesies. ikanhasilnya dikonfirmasi dengan analisis spektrometri massa dari metabolit yang diekstraksi.
- Eksperimen rekonstitusi in vitro menggunakan domain protein murni yang menunjukkan interaksi enzim-enzim yang produktif, diverifikasi oleh spektrometri massa protein utuh.
- Pemodelan komputasi AlphaFold untuk memprediksi struktur protein kompleks, diikuti dengan spektrometri massa yang dicetak karbena untuk memetakan lokasi interaksi secara eksperimental.
- Eksperimen mutagenesis terarah di lokasi yang mengkonfirmasi pentingnya residu pengikatan yang diprediksi.
- Studi penghapusan gen pada strain bakteri menunjukkan bahwa domain docking sangat penting untuk fungsi sistem in vivo.
- Analisis komparatif gugus gen biosintetik dari beberapa bakteri penghasil inhibitor HDAC, mengungkap fitur-fitur yang dilestarikan secara evolusioner yang dimiliki oleh sistem pembuatan obat alami ini.
