Enzymbasierte Synthese und KI-Pocket-Analyse bringen DNA-kodierte Bibliotheken voran
Eine enzymbasierte Methode stellte unter milden Bedingungen über 120 DNA-barcodierte Moleküle für DNA-kodierte Bibliotheken her. Eine weitere Studie sagte mit dem ErePOC-Modell DEL-geeignete Proteintaschen mit 98%iger Präzision voraus.
Zwei neue Studien bringen die Technologie der DNA-kodierten Bibliotheken (DEL) für die Wirkstoffforschung voran. Ein Team der Universität Bern in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich und der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) entwickelte eine enzymbasierte Methode, die DNA-barcodierte Moleküle unter milden, wasserbasierten Bedingungen herstellt, ohne die DNA-Tags zu beschädigen. Eine weitere Studie führte ErePOC ein, ein auf kontrastivem Lernen basierendes Modell zur Darstellung von Bindungstaschen, das mit 98%iger Präzision in nachgelagerten Klassifizierungsaufgaben vorhersagt, welche menschlichen Proteine für das DEL-Screening geeignet sind.
DNA-kodierte Bibliotheken (DELs) ermöglichen das Hochdurchsatz-Screening von Billionen von Molekülen gegen Protein-Targets durch Split-Pool-Synthese und DNA-Markierung. Bei der DEL-Technologie synthetisieren Wissenschaftler eine enorme Anzahl verschiedener kleiner Moleküle und versehen jedes mit einem einzigartigen DNA-‚Barcode‘; diese DNA-barcodierten Moleküle können dann parallel gescreent werden, um zu bestimmen, welche am besten an ein krankheitsrelevantes Protein binden. Viele der chemischen Reaktionen, die traditionell zur Herstellung von DELs verwendet werden, sind jedoch zu aggressiv für die empfindlichen DNA-Tags und können diese beschädigen, und nur wenige DEL-abgeleitete Verbindungen haben den Weg in klinische Studien oder auf den Markt geschafft.
Um die Einschränkung DNA-schädigender Reaktionen zu überwinden, verwendete das von Bern geleitete Team zwei Arten von Enzymen – CoA-Ligasen und speziell entwickelte N-Acyltransferasen –, um mehr als 120 verschiedene DNA-barcodierte Moleküle unter milden, wasserbasierten Bedingungen ohne Beschädigung der Barcodes zu synthetisieren. Mithilfe von Protein-Engineering passten die Forscher diese Enzyme an, um Moleküle zu verarbeiten, die bereits große, sperrige DNA-Barcodes tragen, und kombinierten die beiden Enzymklassen so, dass sie mehrere Reaktionsschritte in Sequenz durchführten und wie eine kleine Produktionslinie funktionierten. In einem weiteren Schritt verknüpften sie die enzymatischen Reaktionen mit klassischen chemischen Methoden, um die DNA-kodierte Bibliothek direkt auf der DNA aufzubauen. Die Studie, die vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) im Rahmen eines Sinergia-Projekts unterstützt wurde, wurde in Nature Catalysis veröffentlicht.
„Enzyme sind die Katalysatoren der Natur: Sie beschleunigen Reaktionen, arbeiten sehr präzise und funktionieren in Wasser unter sehr milden Bedingungen“, sagte der leitende Autor der Studie, ein Professor am Departement für Chemie, Biochemie und Pharmazie der Universität Bern. Einer der beiden Erstautoren fügte hinzu, dass Enzyme seit langem als vielseitige Werkzeuge zur Herstellung kleiner Moleküle bekannt und in der Industrie weit verbreitet seien, aber bisher kaum zur Herstellung DNA-kodierter Bibliotheken eingesetzt wurden.
Die separate Studie stellte ErePOC vor, ein auf kontrastivem Lernen mit ESM-2-Embeddings basierendes Modell zur Darstellung von Bindungstaschen. ErePOC erfasst sowohl strukturelle als auch funktionelle Merkmale von Bindungstaschen und ermöglicht die Identifizierung gemeinsamer Merkmale unter DEL-Targets. Mit 98%iger Präzision in nachgelagerten Klassifizierungsaufgaben demonstriert ErePOC eine hohe Leistungsfähigkeit in der Taschenrepräsentation und wurde angewendet, um menschliche Proteine vorherzusagen, die für das DEL-Screening geeignet sind, wobei eine Anreicherung über 18 funktionelle Kategorien hinweg aufgedeckt wurde. Die Arbeit etabliert einen Rahmen zur Verbesserung der DEL-basierten Wirkstoffforschung durch eine effektivere Target-Auswahl und Analyse der Taschenähnlichkeit.
Der enzymbasierte Ansatz könnte die Suche nach neuen Medikamenten beschleunigen und die zugrundeliegende Chemie ressourceneffizienter machen. ErePOC bietet einen Rahmen zur Verbesserung der DEL-basierten Wirkstoffforschung durch eine effektivere Target-Auswahl und Analyse der Taschenähnlichkeit.