Door een unieke combinatie van computersimulaties en laboratoriumexperimenten, onderzoekers van het Paul Scherrer Institute (PSI) hebben nieuwe bindingsplaatsen ontdekt voor actieve stoffen - tegen kanker, bijvoorbeeld op een vitaal eiwit van het celcytoskelet. Elf van de sites waren nog niet eerder bekend. De studie verschijnt vandaag in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition.

Het eiwit tubuline is een essentiële bouwsteen van het zogenaamde celcytoskelet. In cellen, tubulinemoleculen rangschikken zich in buisachtige structuren, de microtubuli-filamenten. Deze geven cellen hun vorm, helpen bij het transporteren van eiwitten en grotere cellulaire componenten, en spelen een cruciale rol bij de celdeling.

Zo vervult tubuline verschillende functies in de cel en interageert daarbij met tal van andere stoffen. "Tubuline kan een verbazingwekkend aantal verschillende eiwitten en kleine moleculen binden, zeker een paar honderd, " zegt Tobias Mühlethaler, een promovendus in het PSI Laboratory of Biomolecular Research en eerste auteur van de studie. Door middel van dergelijke bindingen worden de functies van het eiwit gestuurd. Ook, veel medicijnen meren aan op tubuline en treden in werking, bijvoorbeeld, door celdeling in tumoren te voorkomen.

"In dit project, we hebben de fundamentele vraag behandeld hoeveel bindingsplaatsen er in totaal zijn op dit vitale eiwit, " legt Mühlethaler uit. "Als we nieuwe ontdekken, deze kunnen mogelijk therapeutisch worden gebruikt."

Van virtueel naar laboratorium

In computersimulaties uitgevoerd in samenwerking met het Italiaanse Instituut voor Technologie in Genua, de onderzoekers kamden de structuur van het eiwit door:ze identificeerden plaatsen waar andere moleculen bijzonder goed aan tubuline konden koppelen. Dit zijn de zogenaamde bindzakken. in een echt laboratoriumexperiment, de onderzoekers probeerden dergelijke sites te verifiëren. Voor deze, ze gebruikten een methode die fragmentscreening heet:beginnend met honderden tubulinekristallen, de onderzoekers voegden individuele oplossingen toe met fragmenten van moleculen die typische voorlopers zijn van veelbelovende werkzame stoffen. Binnen een uur, de tubulinekristallen waren in staat om zoveel mogelijk van de fragmentoplossing op te nemen als ze konden bevatten. Ten slotte werden de kristallen uit de vloeistof gevist en blootgesteld aan synchrotron-röntgenstraling. Op basis van het resulterende diffractiepatroon, de onderzoekers kunnen de structuur van het kristal afleiden. Zo kon worden bepaald of en waar de molecuulfragmenten aan het eiwit zijn gebonden.

"Beide methoden, computersimulaties en fragmentscreening, hebben hun respectievelijke sterke en zwakke punten, " zegt Michel Steinmetz, hoofd van het Laboratorium voor Biomoleculair Onderzoek. "Door ze te combineren, we zorgen ervoor dat geen enkele bindingsplaats op het eiwit aan onze zoektocht ontsnapt."

Elf nieuwe

Algemeen, de onderzoekers vonden 27 bindingsplaatsen op tubuline waar moleculen of andere eiwitten kunnen aanmeren. "Elf van hen waren nog nooit eerder beschreven, ", zegt Mühlethaler. Bovendien, de onderzoekers identificeerden 56 fragmenten die binden aan tubuline en mogelijk geschikt zijn voor het ontwikkelen van nieuwe actieve middelen.

Zoals de onderzoekers benadrukken, hun aanpak is ook overdraagbaar op andere eiwitten. "Hier hebben we een methode ontwikkeld voor vroege ontdekking van zogenaamde loodmoleculen en, met dat, nieuwe uitgangspunten voor de ontwikkeling van actieve agenten, ", zegt Michel Steinmetz. Het moet mogelijk zijn om deze methode met succes toe te passen op alle eiwitten waarvoor hoogwaardige kristallen kunnen worden verkregen.

"De zoektocht naar potentiële nieuwe loodmoleculen is een focus van de Swiss Light Source SLS, Steinmetz voegt toe. "Dit zal steeds belangrijker worden na de upgrade naar SLS 2.0, gepland voor de komende jaren, heeft plaatsgevonden."