Wszystko zaczęło się w 1945 roku, kiedy genetyk Norman Horowitz analizował początki życia na ziemi. Wyobraził sobie gatunek, który do życia potrzebował skomplikowanej chemicznie substancji, nazwijmy ją A – dzięki niej stawał się silniejszy, i wygrywał konkurencję o przetrwanie z innymi mieszkańcami pierwotnego bulionu. Ponieważ wygrywał, zapotrzebowanie na substancję A rosło – osobników tego gatunku było coraz więcej – natomiast samej substancji nie przybywało. Aby przetrwać, niektóre osobniki tego gatunku wytworzyły enzym, dzięki któremu mogły przetwarzać prostszą chemicznie substancję B w substancję A, i to one stały się dominującą populacją. Ewolucja spowodowała, że wiele pokoleń później, potomkowie tego gatunku byli w stanie przeżyć mając do dyspozycji jedynie znacznie prostsze związki chemiczne, gdyż ich enzymy potrafiły przekształcić je w dowolną potrzebną cząsteczkę.

Cztery lata temu tę myśl podchwycił profesor Bachmann z Vanderbilt University. 23. marca br czasopismo Nature Chemical Biology opublikowało wyniki badań jego zespołu, które nie tylko potwierdziły skuteczność teoretyczną tej metody otrzymywania związków chemicznych, ale również – że udało się w testach in vitro uzyskać didanozynę, lek stosowany w leczeniu zakażeń HIV, którego synteza metodą tradycyjną była bardzo droga.

W praktyce laboratoryjnej proces jest analogiczny jak ten, który zachodził u mieszkańców pierwotnego bulionu, a który analizował Norman Horowitz. Wszystko zaczyna się od efektu – związku, który ma być otrzymany, a kończy na najprostszych substratach; po to, aby w późniejszym etapie dało się przejść tę samą drogę w odwrotnym kierunku.

Prace zaczęły się więc od cząsteczki didanozyny i znalezienia dla niej cząstki prekursorowej, która za pomocą jednego enzymu mogła być bezpośrednio przekształcona w didanozynę. Znaleziono również enzym, dzięki któremu można było dokonać takiego przekształcenia. Najbardziej efektywna odmiana tego enzymu została wybrana korzystając z naturalnej selekcji – gen kodujący ten enzym, z różnymi przypadkowymi mutacjami, został wprowadzony do bakterii E. coli, które wytworzyły enzym. Następnie bakterie z różnymi odmianami enzymu wraz z prekursorem zostały umieszczone w osobnych studzienkach, a gdy zaszła reakcja, zmierzono zawartość didanozyny w poszczególnych mieszaninach. Ta, w której didanozyny było najwięcej, została wytworzona przez najaktywniejszą odmianę enzymu, i to ten związek został wyselekcjonowany do zastosowania w syntezie. Drugim krokiem było znalezienie prekursora dla prekursora oraz odpowiedniego enzymu, który przekształcałby skutecznie prekursor drugi w prekursor pierwszy, tak aby dało się potem dodać kolejnego enzymu i uzyskać didanozynę. Powtórzono wszystkie czynności tak jak w pierwszym etapie, po czym dodano enzymu pierwszego i zmierzono zawartość didanozyny. Proces selekcji prekursora i enzymu przeprowadzono trzykrotnie, bo tyle etapów było niezbędnych aby didanozynę dało się otrzymać na drodze wielostopniowej reakcji enzymatycznej z niedrogiej i szeroko dostępnej dideoksyrybozy.

Podczas selekcji enzymów w badaniu brał udział również drugi zespół, który pod kierunkiem profesor Tiny Iverson badał strukturę chemiczną najaktywniejszych odmian enzymu, zdeterminowaną przez mutacje genowe, które zachodziły w namnażających się bakteriach. Określano również, jak zmiany strukturalne enzymów wpływają na ich skuteczność i efektywność z jaką dokonywały przemian prekursorów. Dzięki temu wiadomo było, w którym kierunku powinny iść poszukiwania kolejnych enzymów, które mogły wykazywać większą aktywność.

Eksperyment z didanozyną, który miał potwierdzić skuteczność i celowość badania tej metody został przeprowadzony in vitro, między innymi po to, aby był całkowicie odizolowany od innych biologicznych i enzymatycznych procesów zachodzących w żywym organizmie. Celem badań jest jednak możliwość zastosowania naturalnych procesów, takich jak fermentacja, do produkcji skomplikowanych chemicznie związków.

 Bioretrosynteza to nowe podejście, które ma szanse być konkurencyjne dla klasycznej syntezy chemicznej. Produkcja leków bardzo często wymaga drastycznych warunków prowadzenia reakcji, drogich lub toksycznych substratów albo katalizatorów takich jak metale ciężkie. Być może zastosowanie enzymów jako producentów leków w wielu przypadkach uprości ten proces a także znacząco obniży jego koszty.

red. Marta Kostyk