Experimenten bij DESY's röntgenbron PETRA III hebben de eerste structuur onthuld van een biologisch transporteiwit geladen met een pro-drug. Prodrugs zijn inactieve medicijnen die worden gemetaboliseerd tot een actieve, functionele vorm in het lichaam. Ze kunnen de menselijke nutriëntentransporteiwitten PepT1 of PepT2 kapen die zich in het celmembraan bevinden en gewoonlijk peptiden afkomstig van verteerd voedsel naar cellen leiden. Op deze manier, pro-drugs kunnen rechtstreeks de cel in liften, het versnellen van de absorptie van het medicijn. Hoewel het pro-drug-concept zeer effectief is, er is op moleculair niveau weinig bekend over de structuur van de peptidetransporters en hoe ze herkennen, binden en transporteren pro-drugs. De groepen van Christian Loew en Jan Kosinski van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) die werkzaam zijn bij het Center for Structural Systems Biology (CSSB) op de DESY-campus in Hamburg, zijn nu een stap dichter bij het begrijpen hiervan.

De wetenschappers bepaalden de eerste kristalstructuur met hoge resolutie van een peptidetransporter in complex met de farmacologisch relevante pro-drug valganciclovir; een medicijn dat bepaalde virale infecties bestrijdt. hun resultaten, gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , zou kunnen helpen bij het ontwerpen van pro-drugs met verbeterde absorptiesnelheden. CSSB is een samenwerkingsverband van tien wetenschappelijke instellingen waaronder DESY.

De bacteriële peptidetransporter DtpA van Escherichia coli is een nauwe homoloog van de menselijke PepT1-transporter en werd daarom door de wetenschappers gekozen als prototype. De ruimtelijke structuur van een biomolecuul kan worden bepaald door kleine kristallen te kweken uit veel van dezelfde biomoleculen en deze te belichten met röntgenstraling. De kristallen breken de röntgenstralen af ​​op een manier die verband houdt met hun innerlijke structuur. Dit betekent, van het diffractiepatroon, de binnenstructuur van het kristal kan worden berekend, het onthullen van de atomaire structuur van zijn bestanddelen, de biomoleculen.

Het kweken van voldoende hoogwaardige kristallen uit biomoleculen kan een hele uitdaging zijn. Om goed brekende kristallen van DtpA te produceren, Loew werkte samen met de groep van Jan Steyaert van de Vrije Universiteit in Brussel om DtpA-specifieke nanobodies te genereren. Nanobodies zijn specifieke antilichaamfragmenten met een enkel domein. "Ze verhogen de stabiliteit van membranen, eiwitten zoals DtpA, waardoor we hoogwaardige kristallen kunnen genereren, " legt Loew uit.

De Loew-groep voerde vervolgens de kristallisatie-experimenten uit van DtpA in complex met een nanobody en een pro-drugmolecuul in de Sample Preparation and Characterization-faciliteit (SPC) en analyseerde de verkregen kristallen op de bundellijnen P13 en P14 die deel uitmaken van DESY's X- lichtbron PETRA III en geëxploiteerd door t EMBL. De wetenschappers waren in staat om een ​​resolutie van 2,65 Ångstrom (0,265 nanometer) te bepalen van DtpA gebonden met de pro-drug valganciclovir die een onverwachte bindingsmodus onthulde. "De oriëntatie van de pro-drug in de bindingszak is 180 graden omgedraaid ten opzichte van eerdere voorspellingen, " legt Loew uit. "We hebben ook ontdekt dat DtpA bij voorkeur tripeptiden bindt en waarschijnlijk transporteert over dipeptiden."

De Kosinski-groep bouwde een hoogwaardig structureel model van de menselijke PepT1-transporter in complex met valganciclovir met behulp van de DtpA-kristalstructuur als richtlijn. "Het model laat zien dat humaan PepT1 het medicijn zeer waarschijnlijk op dezelfde manier bindt als DtpA en lokaliseert de exacte aminozuurgroepen die verantwoordelijk zijn voor binding, " verduidelijkt Kosinski. Daarom, de inzichten die door dit model van PepT1 worden gegenereerd, kunnen de ontwikkeling van nieuwe pro-drugs met verbeterde absorptiesnelheden vergemakkelijken. Dergelijke verbeteringen zouden niet alleen de farmacologisch effectieve dosis verlagen, maar zouden ook de door patiënten ervaren negatieve bijwerkingen kunnen verminderen.