«Какова молекулярная структура «Великолепных даров микроорганизмов»? Анализ стал быстрее и проще!
ИНТЕРВЬЮ 12
Директор, профессор
Мемориальный институт Омуры Сатоси
Высшая школа наук по инфекционному контролю, Университет Китасато
Профессор Тосиаки Сунадзука
«Какова молекулярная структура «Великолепных даров микроорганизмов»? Анализ стал быстрее и проще!
Унаследовав тему исследований доктора Сатоси Омуры, лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине 2015 г., Мемориальный институт Омуры Сатоси Университета Китасато ежегодно открывает новые соединения. Мы взяли интервью у директора, профессора Сунадзуки, о его исследованиях, направленных на разработку новых лекарств путем поиска и анализа соединений, вырабатываемых микроорганизмами.
В поисках неизведанных микроорганизмов: на дальние острова и в морские глубины
«Группа Омуры разыскивает места, где могут обитать неизвестные микроорганизмы! Изолированные острова, зоны морских глубин, а может, и земли, где бьют горячие ключи...».
Профессор Сунадзука, директор Мемориального института Омуры Сатоси Университета Китасато, объяснил причину, стоящую за поисками неизвестных микроорганизмов. Некоторые из них производят вторичные метаболиты (биоактивные вещества) для воздействия на другие живые организмы. По сути, эти соединения являются оружием, которое помогает микроорганизмам выжить в борьбе против своих «врагов» — других микроорганизмов. В то же время вторичные метаболиты могут обладать фармацевтическим потенциалом, способным спасти человека.
Данные анализа Ивермектина Б 1b
В частности, исследуя актиномицеты из почвы, собранной доктором Сатоси Омурой в префектуре Сидзуока, американская компания Merck & Co. обнаружила, что они производят химические соединения, особенно эффективные против паразитов. В результате модификации этих соединений получено новое лекарство — Ивермектин. Изначально Ивермектин был лекарством для животных, впоследствии стал применяться для лечения людей и на порядок уменьшил число инфекций, вызванных паразитической активностью: онхоцеркоз (речная слепота) и лимфатический филяриоз (заболевание, в хронической стадии приводящее к слоновости), которые были широко распространены в тропических и других регионах. Как многим известно, эти достижения проложили доктору Омуре путь к Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2015 году.
Поиск новых микроорганизмов сам по себе — непростая задача, но для создания лекарства требуется пройти ряд дополнительных стадий. На начальном этапе необходимо выделить и культивировать интересующие микроорганизмы, оценить фармацевтическую активность продуцируемых ими соединений. Вторая стадия — извлечь перспективные соединения, если таковые обнаружатся, и проанализировать их химические структуры. На третьем этапе, если есть смысл делать лекарство, исследуют возможность существования соединений с более высокой эффективностью и низким уровнем токсичности, затем нужно придумать, как их синтезировать.
Каждый из этих этапов требует специальных знаний и технологий. В настоящее время Мемориальный институт Омуры Сатоси состоит из семи лабораторий и четырех исследовательских центров (по состоянию на июль 2023 года). Когда появляется многообещающий кандидат, несколько групп в институте вместе берутся за исследование, чтобы передать эстафету. Слаженная командная работа приносит результат: сотрудники до сих пор открывают по десять новых соединений в год.
Желтая книга
Природные соединения, обнаруженные доктором Омурой и его командой на текущий момент, собраны в брошюру, широко известную как «Желтая книга». Всего в книге описано около пятисот соединений — двести видовых групп. При этом более двадцати соединений либо их производных сейчас применяются в лекарствах для животных и людей, а также в качестве реагентов для научных исследований. Английское название буклета — «Splendid Gifts from Microorganisms».
Значительно ускоряет анализ молекулярных структур, на выполнение которого ушёл год.
В «Желтой книге» есть несколько химических соединений, третичная структура молекул которых еще не раскрыта. В принципе, обнаружив интересное соединение, мы хотим знать его молекулярную структуру: это необходимая информация, чтобы выяснить, какая именно часть генерирует биологическую активность или как синтезировать данное соединение.
Как правило, для выяснения молекулярной структуры используется спектрометрия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и рентгеноструктурный анализ; теми же методами исследования проводились в Мемориальном институте Омуры Сатоси при Университете Китасато. Рентгеноструктурный анализ монокристалла позволяет определить трехмерную структуру молекулы по дифракционной картине рентгеновских лучей. Узким местом этого метода является необходимость получения крупных (от 3 мкм) монокристаллов без примесей. Природные химические соединения имеют сложную и нестабильную структуру, что затрудняет образование крупных кристаллов. На получение данных могло уйти от шести месяцев до года — после долгих проб и ошибок.
В декабре 2021 года Мемориальный институт Омуры Сатоси Университета Китасато установил электронный дифрактометр «XtaLAB Synergy-ED» (далее «Synergy-ED»). В приборе используется метод под названием MicroED: образец подвергают воздействию электронного излучения вместо рентгеновского и с помощью дифракционной картины вычисляют молекулярную структуру. Synergy-ED — плод совместной разработки корпорации Rigaku, владеющей технологией дифракции рентгеновских лучей, и производителя электронных микроскопов JEOL; поставленный в институт прибор является самым первым образцом.
Преимущество Synergy-ED заключается в том, что он может выполнять структурный анализ микрокристаллов размером от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Более того, из-за микроскопических размеров области измерения можно получить достоверную дифракционную картину даже при наличии примесей — просто их избегая. В значительной мере сокращаются трудозатраты и время на подготовку образца. Можно ожидать ускорения исследовательских процессов.
В Мемориальном институте Омуры Сатоси Университета Китасато уже изучили несколько соединений с помощью Synergy-ED. Поскольку прибор в кратчайшие сроки выявляет молекулярную структуру, «мы можем демонстрировать ее в своих публикациях о новых соединениях и таким образом придавать статьям убедительности». (Профессор Сунадзука).
Хакухиботрол, поликетид, продуцируемый Hypomyces pseudocorticiicola, описан с помощью 3D ED/MicroED.
Самый «революционный» инструмент на сегодня – по мнению доктора Омуры
Synergy-ED установлен благодаря пожертвованию. Удостоившиеся Нобелевской премии исследования доктора Омуры настолько впечатлили одного человека, что тот внес щедрый вклад. Денег хватало на дорогостоящее оборудование. Пока директор Сунадзука размышлял, что приобрести на полученные средства, как их лучше использовать на общее благо, доктор Омура озвучил лишь одну просьбу.
«В бытность аспирантом Токийского научного университета мне довелось поработать с высокопроизводительным спектрометром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) с частотой 60 МГц, единственным на то время в Японии. Освоив управление, получив уникальные навыки анализа на приборе, я смог уверенно определять структуры химических соединений, что стало мощным оружием в моей карьере исследователя. Раз уж нам досталось такое щедрое пожертвование, почему бы не приобрести самый «революционный» инструмент из доступных на сегодняшний день?» Для одних исследователей это стало бы стимулом, для других — оружием. И это будет памятным событием для Мемориального института Омуры Сатоси. Вот что он имел в виду доктор, когда говорил.
В результате директор Суназука взялся за поиски «революционного» инструмента; услышав, что в разработке находится Synergy-ED, он принял решение установить его в институте.
Техника MicroED, используемая в Synergy-ED, — относительно новый метод, анонсированный в конце 2013 года профессором Тамиром Гоненом и его коллегами из Медицинского института Говарда Хьюза. Возможность анализировать молекулярную структуру соединений, для которых можно получить кристаллы размером всего несколько сотен нанометров, является поистине новаторской. И все же некоторым может показаться, что технология слишком сложна, поскольку требует знания электронной микроскопии и анализа кристаллической структуры. Однако инновационный прибор Synergy-ED расширил круг пользователей: этот дифрактометр обеспечивает настолько легкий и плавный переход от измерений к анализу, что даже неспециалисты могут работать с ним без проблем.
В Университете Китасато Synergy-ED успели испытать самые разные люди. В том числе — студенты бакалавриата. Наступает эпоха, когда не только исследователи, но и студенты могут прочувствовать, что «вычислять молекулярные структуры может любой: достаточно научиться создавать микрокристаллы», это становится нормой. Synergy-ED можно назвать одним из тех инструментов, которые породили эту новую нормальность.
Ёсихиро Ватанабэ (исследователь), управляющий Synergy-ED
В Мемориальном институте Омуры Сатоcи планируется провести несколько анализов с использованием Synergy-ED.
Это не только поможет анализировать новые соединения и разрабатывать новые методы исследований, сотрудники хотят также выяснить третичные структуры всех соединений из «Желтой книги».
Они стремятся узнать о дарах микроорганизмов как можно больше. Возможно, таким образом понятнее станет и их ценность для человека.
ЯМР JEOL, «JNM-ECA500», также используется в Мемориальном институте Омуры Сатоси Университета Китасато
Тосиаки Сунадзука
1988 г. — Получил докторскую степень в Высшей школе фармацевтических наук Университета Китасато. Доктор фармацевтических наук.
В 1990 году, окончив стажировку на химическом факультете Пенсильванского университета, устроился на работу в Университет Китасато. Работал штатным преподавателем на факультете фармацевтических наук, затем, в 2005 г., стал профессором Института наук о жизни Университета Китасато и, по совместительству, профессором Высшей школы наук по инфекционному контролю Университета Китасато. С 2012 г. — директор Центра содействия исследованиям Института наук о жизни Китасато. С 2020 г. занимает текущую должность. Специализируется на синтетической органической химии натуральных продуктов и медицинской химии.
Время публикации: ноябрь 2023 г.