Świat nauki intensywnie szuka związku, który hamowałby namnażanie koronawirusa SARS-CoV-2,  a tym samym leczyłby przyczynowo COVID-19 i mógłby zastopować rozprzestrzenianie się tego patogenu. Jednym z pomysłów jest zahamowanie aktywności któregoś z enzymów wirusa, niezbędnych do powielania jego materiału genetycznego, tworzenia potomnych cząstek wirusowych i atakowania kolejnych komórek gospodarza. Naukowcy z Warszawy za cel terapeutyczny obrali dwa z tych enzymów, tzw. metylotransferazy.

Prace nad znalezieniem lub opracowaniem związków chemicznych hamujących metylotransferazy koronawirusa SARS-CoV-2 (czyli inhibitorów tych enzymów) prowadzą we współpracy ze sobą zespoły prof. dr. hab. Jacka Jemielitego z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego oraz prof. dr. hab. Marcina Nowotnego z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. Badanie te są finansowane z funduszy europejskich przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, w ramach rozszerzenia grantów TEAM uzyskanych przez obu naukowców.

Zatrzymać cykl replikacyjny wirusa

?Wszystkie wirusy namnażają się wyłącznie wewnątrz komórek gospodarza, wykorzystując w tym celu maszynerię metaboliczną zainfekowanej komórki. Koronawirus SARS-CoV-2 należy do wirusów RNA, co oznacza, że jego materiał genetyczny jest zapisany w postaci nici RNA. Wirusowa nić RNA nie jest jednak kompatybilna z maszynerią komórkową gospodarza i musi zostać przetworzona w formę genetyczną, która może w tych komórkach ulegać ekspresji. Tylko wtedy wirus może tworzyć swoje kopie i infekować kolejne komórki gospodarza. Proces ten zachodzi w kilku etapach i ostatecznie na bazie pierwotnego wirusowego RNA powstaje wirusowe mRNA, będące matrycą do translacji, czyli syntezy białek wirusa. Zanim jednak dojdzie do translacji mRNA wirusa, musi ono zostać odpowiednio do tego procesu przygotowane. Tym przygotowaniem zajmuje się kilka białek, m.in. metylotransferazy nsp14 i nsp16. A zatem zablokowanie tych białek powinno zatrzymać cykl replikacyjny wirusa i dlatego poszukujemy związków, które są inhibitorami metylotransferaz? ? wyjaśnia prof. Jacek Jemielity.

Metylotransferaza nsp14 jest odpowiedzialna za tworzenie na jednym z końców mRNA tzw. czapeczki czyli kapu. Jest to unikalna struktura niezbędna do rozpoczęcia biosyntezy białek. Kap na końcu mRNA jest przedmiotem szczegółowych badań prof. Jemielitego, finansowanych w grancie TEAM. Metylotransferaza nsp16 jest z kolei odpowiedzialna za taką modyfikację wirusowego mRNA, która sprawia, że układ immunologiczny człowieka nie rozpoznaje go jako wrogiego. Dzięki temu mRNA wirusowemu udaje się uniknąć odpowiedzi immunologicznej w komórkach gospodarza.

Aby znaleźć związki hamujące działanie tych metylotransferaz, naukowcy z laboratorium prof. Jemielitego wykorzystują metody wysokoprzepustowe oparte na fluorescencji. W ten sposób możliwe jest przetestowanie w ciągu kilkudziesięciu godzin tysięcy różnych związków. W kwietniu 2020 r. zespół prof. Jemielitego opublikował na łamach ?Chemistry European Journal? pracę, w której wykazał skuteczność tej metody w poszukiwaniu inhibitorów metylotransferazy nsp14. ?Testujemy związki znajdujące się w różnych bibliotekach, zarówno naszych, jak i tych komercyjnie dostępnych. Poszukiwania prowadzimy wśród związków, mających już zastosowanie w leczeniu ludzi, choć w innych niż COVID-19 wskazaniach, jak i wśród związków nie stosowanych dotychczas w medycynie. Przetestowaliśmy już około 3 tysięcy związków i udało nam się odkryć kilkanaście inhibitorów metylotranferaz koronawirusa SARS-CoV-2, które scharakteryzowaliśmy pod względem biochemicznym i biofizycznym? ? mówi prof. Jacek Jemielity.

Obiecująca współpraca naukowców

Związki zidentyfikowane przez grupę prof. Jemielitego jako inhibitory metylotransferaz są następnie przekazywane do dalszych analiz grupie prof. dr. hab. Marcina Nowotnego, która specjalizuje się w badaniach strukturalnych kompleksów białek z małymi cząsteczkami. Laboratorium Marcina  Nowotnego od kilku lat współpracuje z firmami biotechnologicznymi w Polsce i za granicą, stosując metody biologii strukturalnej do wsparcia procesu tworzenia nowych leków.

?Naszym zadaniem jest krystalizacja kompleksu enzymu z nowo odkrytym inhibitorem. Dzięki  utworzeniu takiej struktury krystalograficznej, możemy zobaczyć, jak inhibitor lokuje się w  strukturze białka, które jest naszym celem terapeutycznym, i na czym polegają oddziaływania między nimi. Zrozumienie molekularnych podstaw inhibicji pozwoli nam zaproponować takie modyfikacje chemiczne inhibitora, które sprawią, że jego właściwości hamujące będą jeszcze silniejsze. Ponadto będziemy mogli pracować nad zwiększeniem stabilności metabolicznej kompleksów enzym-inhibitor oraz nad poprawą przenikania inhibitorów przez błony komórkowe? ? tłumaczy prof. Marcin Nowotny i dodaje: ?Co więcej, krystalizacja wyselekcjonowanych inhibitorów pozwoli nam na zaprojektowanie, za pomocą metod obliczeniowych, kolejnych inhibitorów. Będą to tzw. inhibitory drugiej generacji o jeszcze wyższym potencjale inhibitorowym i pożądanych właściwościach farmakokinetycznych. Następnie związki te będą syntetyzowane w laboratorium profesora Jemielitego?.

Uzyskane przez naukowców najlepsze inhibitory zostaną w dalszej kolejności przebadane na komórkach zarażonych koronawirusem, w celu sprawdzenia, czy rzeczywiście hamują namnażanie wirusa. Ten etap eksperymentów zostanie przeprowadzony we współpracy z odpowiednio wyposażonymi laboratoriami, prowadzącymi doświadczenia polegające na zakażaniu komórek w hodowli wirusem SARS-CoV-2.

Droga na rynek

Jeśli skuteczny inhibitor zostanie odnaleziony wśród związków, będących już lekami dopuszczonymi do stosowania u pacjentów, to prawdopodobnie w ciągu kilku-kilkunastu miesięcy możliwe będzie zarejestrowanie go jako leku na COVID-19. ?Bezpieczeństwo stosowania takiego związku w leczeniu ludzi jest już znane, więc wystarczy dobrać właściwą dawkę i potwierdzić jego skuteczność w zwalczaniu COVID-19 u pacjentów. Znacznie dłużej trwa droga na rynek w przypadku związków, które nie są jeszcze lekami. Aby taki związek został dopuszczony do stosowania w leczeniu ludzi, wymagane jest przeprowadzenie badań przedklinicznych, badań toksykologicznych i trzech faz badań klinicznych. Zanim będzie sprawdzana skuteczność takiego związku, najpierw konieczne jest sprawdzenie jego bezpieczeństwa i dlatego trwa to 5-7 lat. W obecnej sytuacji pandemii, drogę tę można nieco przyspieszyć, ale nie w sposób znaczący, bo takie badania wymagają czasu? ? podkreśla prof. Jacek Jemielity.

Projekt jest finansowany ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego z programu Inteligentny Rozwój (POIR) w ramach grantów TEAM FNP, prowadzonych przez prof. Nowotnego i Jemielitego. Środki w łącznej wysokości ponad 3,7 mln zł zostały przyznane w wyniku tematycznego konkursu na finansowanie nowych zadań badawczych związanych z pandemią Covid-19, który przeprowadziła Fundacja na rzecz Nauki Polskiej. Łączny budżet konkursu wynosił 15 mln zł. Środki zostały przyznane na realizację 14 projektów.

Prof. dr hab. Jacek Jemielity specjalizuje się w chemii organicznej, bioorganicznej oraz w biochemii. Studia i doktorat ukończył na Wydziale Chemii UW. Następnie pracował w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki UW. Obecnie w Centrum Nowych Technologii UW prowadzi Laboratorium Chemii Bioorganicznej (Jemielity Group).

Prof. dr hab. Marcin Nowotny kieruje Laboratorium Struktury Białka w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. Doktorat uzyskał w Instytucie Biologii Doświadczalnej PAN, a następnie kilka lat pracował w Narodowych Instytutach Zdrowia (NIH, National Institutes of Health) w Stanach Zjednoczonych.

Na zdjęciu (od lewej): prof. dr hab. Jacek Jemielity, fot. OneHD, archiwum FNP, prof. dr hab. Marcin Nowotny, archiwum MIBMiK

Program TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.