Новые молекулы заставят вирусы мутировать до смерти

Недавно открытый в Университете Чикаго и Массачусетском технологическом институте новый метод спектроскопии поможет внести ясность в до сих пор мало изученный механизм, посредством которого лекарства против СПИДа осуществляют свое воздействие на генетический материал вируса, вызывая летальные мутации. Это открытие поспособствует созданию новых поколений антивирусных препаратов.

Вирусы способны мутировать практически мгновенно, чтобы адаптироваться к окружающей среде. Это же качество помогает им уходить из-под воздействия антивирусных препаратов. Но ученые, используя стратегию под названием «летальный мутагенез», разработали антивирусные агенты против ВИЧ-инфекции, гепатита С и пневмонии.

Эта стратегия заключается в том, чтобы уничтожать вирусы путем усиления их и так природно высокой мутационной активности. Если вирус будет мутировать определенное количество раз, он просто не способен будет сохранить свой генетический материал.

«Они не могут реплицироваться и из-за этого быстро уничтожаются, – рассказывает профессор Andrei Tokmakoff из Университета Чикаго. – Для того чтобы запустить такой процесс, нужен скрытый мутаген. Нужно что-то увертливое, что-то, что вирусы не смогут распознать как проблему».

Tokmakoff и его ассистенты в Университете Чикаго и Массачусетском технологическом институте опубликовали новые результаты своей работы с анти-ВИЧ агентом под названием KP1212 в прошлом месяце на заседании Национальной Академии наук. Необходимые данные были собраны при помощи двумерной инфракрасной спектроскопии, уникальной лазерной технологии, которая комбинирует в себе сверхбыструю разрешающую способность во времени и высокую чувствительность к химическим структурам.

«Двумерная инфракрасная спектроскопия стала критическим звеном нашего продвижения в этой работе. Она позволила нам рассмотреть структуры, которые существуют в водянистом растворе, где содержатся миллиарды клеток, – говорит соавтор исследования профессор химии, токсикологии и биоинженерии John Essigmann из Массачусетского технологического института. Essigmann также является одним из соучредителей фармацевтической компании, занимающейся выпуском мутагенных ингибиторов ВИЧ. – Мы также использовали ядерный магнитный резонанс, который также высокоинформативен, но наше исследование касалось органических растворов, в которых не всегда получается добиться такой хорошей визуализации, как это можно сделать при помощи инфракрасной спектроскопии».

Ученые создали молекулу летального мутагена KP1212 на подобии реально существующих ДНК-оснований – аденин-тиминовых и цитозин-гуаниновых основных пар. «Эти аналоги способны «вшиваться» в неправильные образцы оснований и, таким образом, вести к генетическим мутациям», – объясняет ведущий автор исследования доктор Sam Peng из Массачусетского технологического института.

KP1212 является вариацией цитозина, который в норме создает связи с гуанином в процессе репликации. Но биохимические эксперименты и клинические испытания показывают, что KP1212 вызывает мутацию, связываясь с аденином. Ведущая гипотеза, объясняющая это феномен, состоит в том, что KP1212 проявляет свою мутагенность, изменяя форму: приобретает новую молекулярную структуру, меняя местами атомы водорода на азот и кислород. Ученые назвали эту изменяющую форму структуру таутомером.

Впервые предположения о таутомерах появились в 1953 году, когда была найдена двухниточная структура ДНК.

Большинство современных методов исследования с трудом различает нормальные структуры и таутомеры, потому что их изменения происходят слишком быстро. С помощью двумерной инфракрасной спектроскопии команде из Университета Чикаго удалось различить эти две структуры. Группе исследователей удалось выяснить, насколько быстро в физиологическом состоянии возникает такое изменение формы: за двадцать билионных  секунды.

Хотя ученые выявили только два доминантных таутомера, их эксперимент доказывает, что существует еще множество. Кроме изменений в рамках нейтрально заряженной молекулы, KP1212 также может присоединять дополнительный протон, получая положительный заряд. Эксперимент показал, что формы с и добавочным протоном, и без него значительно усиливают мутацию вируса. Даже в отсутствии протонной формы вирус продолжает мутировать с увеличенной скоростью, пусть и несколько медленней.

«Мы обнаружили, что в физиологичном рН KP1212 присоединяет протон и эта протонная форма усиливает мутации вируса практически на 50%», – говорит Peng.

Это обнаружение возможности создавать протонную форму одновременно удивило и обнадежило Essigmann. Робота с изменяющими форму молекулами научила исследовательскую группу, как создавать еще более мощные структуры с такой способностью.

«KP1212 – это только первые 20% будущего пути к созданию идеального терапевтического мутагена. Поддержка двухмерной инфракрасной спектроскопии позволит нам в дальнейшем создать новые, лучшие молекулы подобного типа», – говорит Essigmann.

Хотя Essigmann и Tokmakoff знают друг друга уже не первый год, казалось, что их специализации лежат в совершенно разных плоскостях: биологические исследования Tokmakoff касались белков, но не ДНК. Но совместно ученым удалось с помощью двумерной инфракрасной спектроскопии совершить одно из первых ошеломительных открытий в области механизма лечебного воздействия антивирусных препаратов.