Согласно исследованию, опубликованному 30 ноября в журнале natural products, новый подход, использующий молекулярную биологию, аналитическую химию и биоинформатику для интеграции информации с различных платформ скрининга, решает некоторые из самых больших проблем при разработке лекарств из натуральных продуктов. Труды Национальной академии наук.

Серьезной проблемой было определение механизма действия и биологической мишени нового биоактивного соединения. Другой центральной задачей является идентификация молекулы или молекул, определяющих биологическую активность в сложной смеси, полученной в природе.

"Эти две большие концепции были в основе нашей совместной программы, и эта статья объединяет эти два вопроса в полностью интегрированном подходе", - сказал автор-корреспондент Джон Макмиллан, профессор химии и биохимии Калифорнийского университета в Санта-Крус.

Помимо Макмиллана, в сотрудничестве участвуют Скотт Локи, профессор химии и биохимии и директор Центра химического скрининга Калифорнийского университета в Санта-Круз, Роджер Линингтон из Университета Саймона Фрейзера в Британской Колумбии и Майкл Уайт из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета.

Объединив результаты двух совершенно разных платформ скрининга и объединив это с метаболомическим анализом следующего поколения их библиотек натуральных продуктов, исследователи создали уникальную и мощную основу для определения биологических характеристик натуральных продуктов. Используя этот подход для скрининга небольшой коллекции случайно выбранных фракций микробных натуральных продуктов, они смогли идентифицировать известное соединение (трихостатин А) и подтвердить его механизм действия; связать известное соединение (суругамид) с новой биологической активностью (ингибирование циклин-зависимой киназы); и открыть новые соединения (паркамицины А и Б) со сложной биологической активностью.

"Обнаружение известного соединения, которое группируется так, как ожидалось, говорит нам о том, что оно работает, и затем мы смогли соотнести известное соединение с новым механизмом действия", - сказал Макмиллан. "Наконец, мы обнаружили новое химическое соединение с уникальной биологической сигнатурой, непохожей ни на какие известные соединения. Это захватывающее открытие, которое мы хотим исследовать дальше".

Исследователи использовали биоинформационный метод под названием Similarity Network Fusion (SNF), разработанный для интеграции сложных наборов данных, чтобы объединить данные с двух платформ скрининга натуральных продуктов, разработанных их лабораториями. Одна платформа (Functional Signature Ontology, или FUSION), разработанная лабораторией Макмиллана, использует сигнатуры экспрессии генов, индуцируемые в клетках известными и неизвестными соединениями, в сочетании с инструментами сопоставления с образцом для указания механизмов действия через "чувство вины по ассоциации".

"Если мы видим сходные эффекты с одним из этих известных соединений, это предполагает аналогичный механизм действия. Мы эффективно использовали эту технологию, чтобы понять биологическую активность ряда уникальных малых молекул", - сказал Макмиллан.

Другая платформа, технология цитологического профилирования (CP), разработанная лабораторией Lokey's lab, включает анализ изображений клеток с высоким содержанием содержания, подвергаемых скринингу образцов, а затем окрашенных панелью флуоресцентных зондов для выделения ключевых цитологических признаков. Изображения автоматической флуоресцентной микроскопии дают в общей сложности 251 уникальный цитологический признак для каждого образца.

Исследователи использовали технологии CP и FUSION для скрининга библиотек сложных натуральных продуктов, разработанных лабораториями MacMillan и Linington. Эти библиотеки были получены из морских бактерий, выделенных двумя лабораториями.

Чтобы найти биологически активные натуральные продукты, исследователи выращивают бактериальные штаммы в лаборатории, получают сырой экстракт из всех соединений, продуцируемых каждым штаммом, затем с помощью хроматографии разделяют каждый экстракт на ряд фракций, каждая из которых содержит от двух до 20 соединений.

Методы масс-спектрометрии широко используются для крупномасштабного изучения малых молекул ("метаболомика") и могут помочь идентифицировать химические составляющие каждой фракции. Подход, называемый картированием активности соединений, разработанный Линингтоном и другими, сочетает метаболомику на основе масс-спектрометрии с данными биологического скрининга, чтобы определить, какие соединения в смеси определяют определенную биологическую сигнатуру.

В новом исследовании исследователи разработали рабочий процесс обработки образцов с использованием масс-спектрометрии и модифицированной версии своей платформы картирования активности соединений, которая включает в себя интегрированные результаты их технологий скрининга, полученные с помощью Similarity Network Fusion.

"Вопрос в том, можем ли мы использовать все это, чтобы выявить химические вещества, которые вызывают определенную сигнатуру, и сделать более надежные прогнозы механизма действия? Наш подход позволил нам добиться этого довольно существенным образом", - сказал Макмиллан.

Помимо Макмиллана, Локи и Линингтона, соавторами статьи являются Майкл Уайт, Сьюзи Хайт, Элизабет Макмиллан, Анам Шейх, Рэйчел Вейден, Чон Ли и Шугуан Вей из Юго-Западного медицинского центра Университета Техаса; Тревор Кларк, Кенджи Курита, Джейк Хеки и Фаусто Карневале-Нето из Юго-Западного медицинского центра Университета Техаса. Университет Саймона Фрейзера; и Уолтер Брей, Асвад Хадилкар, Скотт Л.А. и Акшар Лохит из Калифорнийского университета в Санта-Крус. Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения.