数十億の分子が新たに結合してできた新しい薬効物質

最近では、免疫細胞や抗体を改変した個別化がん治療など、画期的な新医療が話題になっています。しかし、こうした治療は非常に複雑で費用がかかるため、適用範囲は限られています。ほとんどの医療は、大量生産が可能で低コストの小さな化合物をベースとしています。

新しい分子療法の開発におけるボトルネックとなっているのは、現在の技術では発見できる新しい活性物質の数が限られていることです。2000 年代にハーバード大学とチューリッヒ工科大学で開発された手法、DNA エンコード化学ライブラリ (DEL) は、この問題を解決してくれると期待されています。

現在までに、DEL 技術は数百万の化合物を生成し、その効果を一度にテストするために使用できました。しかし、この方法の欠点は、研究者が数個の化学構成要素から小さな分子しか構築できないことでした。ETH チューリッヒの化学者らは、このプロセスを改良し、大幅に改善しました。

著名な科学誌「サイエンス」に最近発表されたこの新しい方法の助けを借りて、研究者は数週間以内に数百万どころか数十億もの異なる物質を自動的に合成し、テストできるようになりました。この方法は、リング状のペプチドなど、さらに大きな薬物分子を生成するのにも応用でき、追加の薬理学的ターゲットを狙うのに使用できます。

「初期の DEL 技術の助けを借りて開発された最初の有効物質は現在、高度な臨床試験の段階にあります。この新しい DEL 法は、可能性を再び大幅に拡大します」と、イェルク・シューアマンは説明します。彼と薬学研究所の研究グループは、分子の化学生産における組み合わせの可能性を実際に活用するための鍵と考えられている DEL 技術の先駆者の 1 つです。

コンビナトリアルケミストリーの目的は、個々の構成要素からできるだけ多くの分子バリアントを生成することです。研究者は、これらすべての組み合わせから、望ましい活性を示すものを見つけ出します。異なる分子の数は、合成サイクルの数と、各合成サイクルで組み合わせられる異なる構成要素の数に応じて指数関数的に増加します。

研究者が効能試験で急速に増殖する「分子スープ」内の個々の有効成分を識別できるように、DEL 法では、定義された短い DNA 断片を各有効成分構成要素と並行して分子に付加します。これにより、構成要素の組み合わせごとに読み取り可能なバーコードとして固有の DNA 配列が作成されます。

たとえば、分子のスープ全体を検査して特定のタンパク質に結合する能力を調べたり、COVID検査でおなじみのPCR（ポリメラーゼ連鎖反応）技術を使用して個々のDNAセグメントを増幅して明確に識別したりすることができます。

しかし、化学的な現実は、これまでのところ DEL 技術の可能性を厳しく制限してきました。DNA 断片を化学構成要素と結合するプロセスは、常に信頼性が高いのですが、それらの構成要素が化学的に結合する効果は、組み合わせによって異なります。その結果、DNA コードは独自性を失ってしまいます。

同じコードで、すべての構成要素を含む完全な分子だけでなく、構成要素の一部のみを含む短縮されたバリアントも参照できます。これらの不純物も、合成の各ラウンドで指数関数的に増加します。実際には、このため、DEL ライブラリの管理可能なサイズは、3 ～ 4 つの接続されたブロックの組み合わせに制限され、したがって数百万の異なる化合物に制限されます。

シューアマンの研究チームは、分子ライブラリの汚染増加を防ぐ方法を発見しました。合成された DEL を最後の構成要素まで精製することです。ETH の研究者の方法は、2 つの主要な部分に基づいています。まず、分子の合成は、簡単かつ自動的に処理できる磁性粒子に結合されます。これにより、洗浄サイクルなどが可能になります。次に、チームは、計画された構成要素の最後の部分のみに結合できる 2 番目の化学結合コンポーネントを粒子に導入しました。

最後の構成要素が欠けているなど、切り詰められた分子はすべて、1 回の洗浄ステップで除去できます。最終的に、ライブラリには DNA コードで指定されたすべての構成要素を含む分子だけが含まれます。

この方法は紙の上では洗練されているように見えるが、実行するのは困難だった。シューアマン氏は次のように述べている。「DNA 断片の酵素結合を妨げない磁性粒子を見つけるのは特に困難でした。博士課程のプロジェクトで、私のグループのミシェル・ケラーとディミタール・ペトロフは、この方法が確実に機能するように多くの時間と労力を費やしました。」

粒子に対してこのようなコンビナトリアル化学を実行するというアイデアは 1990 年代に登場しましたが、ETH の研究者がこれをライブラリ合成に実践できるようになったのは今になってからです。

自己精製型 DEL 技術は、数十億の分子からなるはるかに大きなライブラリを扱えるだけでなく、5 つ以上の構成要素からなるより大きな分子を合成することも可能にします。「これまでは、治療に関連するタンパク質の活性部位の鍵穴に鍵のようにフィットする小さな活性物質を探すことができましたが、今ではより大きな活性物質も探すことができます。これらの大きな活性物質は、タンパク質の活性中心だけでなく、たとえば受容体に結合するのを防ぐために、タンパク質表面の他の特定の領域にもドッキングできます」と Scheuermann 氏は言います。

基礎生物学研究も、特定のタンパク質表面に結合する分子を発見できる可能性から恩恵を受けています。これにより、細胞内のタンパク質をラベル付けして検査することが可能になるからです。さらに、ETH 法は、Target 2035 などの大規模な国際研究イニシアチブにも恩恵をもたらす可能性があります。このイニシアチブは、約 20,000 種類のヒトタンパク質を対象とし、2035 年までに、それぞれのタンパク質に特異的に結合してその機能に影響を与える分子を見つけることを目指しています。

シューアマン氏と彼のチームは、この技術を製薬業界や基礎研究にできるだけ効率的に利用できるようにするために、スピンオフ企業を設立する予定です。この企業は、DEL コレクションの開発と自動合成から、自動有効性試験、分子の DNA ベースの識別まで、プロセス全体を提供します。「業界と研究から、特にこれまで大量に入手できなかった環状分子に多大な関心が寄せられています」とシューアマン氏は言います。

ケラー M、ペトロフ D、グロガー A、ディエツキ B、ジョビン K、グレーディンガー T、マルティネリ A、プレイス L、オンダ Y、ネリ D、シャイアーマン J.
デュアルリンカー固相合成による高純度の DNA エンコード化学ライブラリ。
サイエンス. 2024年6月14日;384(6701):1259-1265. doi: 10.1126/サイエンス.adn3412