Välj ditt gift. Det kan vara dödligt av goda skäl som att skydda grödor från skadliga insekter eller bekämpa parasitinfektion som medicin - eller av ondska som ett vapen för bioterrorism. Eller, i extremt utspädda mängder, den kan användas för att förbättra skönheten.

Medan riktade kemiska attacker på civila tenderar att göra rubriker, de vanligaste förgiftningsrapporterna i USA är från oavsiktlig exponering för hushållskemikalier som insektspray, rengöringslösningar eller felaktigt tvättad frukt eller grönsaker. Hur som helst, botemedlet är en snabbverkande, giftjagande läkemedelsförening, och Oak Ridge National Laboratory är i framkant med att utveckla en ny generation livräddande motgift.

Enkelt uttryckt, "ett gift är något som akut försämrar din hälsa, eller ditt hälsotillstånd, "sa Andrey Kovalevsky, en kristallograf och biokemist vid ORNL. Han är expert på förståelse på atomnivå av enzymfunktion, läkemedelsbindning och läkemedelsresistens. Med hjälp av neutroner och röntgenstrålar, han studerar hur enzymer fungerar i kroppen och, beroende på detaljerna, hur man hämmar eller reaktiverar dem med små organiska molekyler.

"Beroende på gift och mängd, effekten kan vara mycket snabb - inom några sekunder - eller så kan den vara långsam, "tillade han. Kroppen utlöser sitt eget försvar för att motverka en giftig substans, men det brukar inte räcka. Varje exponeringsnivå kan vara dödlig, särskilt om typen av gift inte är omedelbart känd för en första respondent eller medicinskt team som tar hand om en drabbad patient.

En motgift måste agera snabbt - innan giftet gör oåterkallelig skada - för att vara effektivt och rädda liv.

Spegla giftet

Kovalevsky ingår i ett team som leds av Zoran Radić vid University of California, San Diego, utveckla en ny familj av motgift mot gifter som kallas organofosfater, som inkluderar nervmedel. Radićs forskning riktar sig unikt till orsaken till organofosfatförgiftning, går utöver att bara behandla symptomen som med befintliga läkemedel.

Deras fokus ligger på de komplexa biokemiska mekanismerna som styr och underhåller kroppens nervsystem. De börjar med acetylkolin, eller ACh, som är en förening som finns vid korsningen av muskler och nerver och även i hjärnan. ACh fungerar som en signalsubstans som upprätthåller normal kommunikation mellan nerver och muskler. Men ACh agerar inte ensam.

Enzymet kallas acetylkolinesteras, eller AChE, är också där muskler och nerver möts. Dess uppgift är att ge specifik kontroll över halterna av ACh -förening genom att försämra det, vilket säkerställer att nerverna fungerar korrekt.

När en person utsätts för ett nervmedel, eller till stora mängder insektspray, till exempel, giftet passerar snabbt från lungorna eller huden in i blodströmmen och springer till nervsystemet. När den når muskel-nervkorsningarna, giftet överväldigar och hämmar AChE -enzymets arbete.

Eftersom AChE -enzymet är under attack och inte kan bryta ned ACh, nivåerna av ACh -föreningen stiger, stör balansen mellan muskler och nerver. Detta orsakar förödelse på kroppen.

"Istället för att vara för lite av något, det finns för mycket av denna signalsubstans. Så, nervernas receptorer är överspända, och människor kan gå i chock, har skakningar och anfall och börjar svettas eftersom deras körtlar arbetar för mycket, "Förklarade Kovalevsky. I slutändan, den drabbade personen kommer sannolikt att dö för att de slutade andas.

Radić sa att motgiften måste spegla giftets aktivitet utan att fungera som en hämmare, för.

"Dessa gifter, vanligtvis består av oladdade eller neutrala molekyler, passerar biologiska membran mycket snabbt in i blodet och distribueras sedan från blod till vävnad, inklusive centrala nervsystemet. Och allt detta händer på några minuter efter exponering, " han sa.

"Giftet når snabbt sitt mål, så för att behandla det målet och återställa enzymets aktivitet, vi måste ha en motgift som gör detsamma. "

Om det görs rätt, motgiften kommer att lindra AChE -enzymet från giftets attack, i huvudsak excidera giftets molekyl bunden till enzymet, och låta den börja utjämna ACh -signalsubstanserna och slutligen lugna ner hela nervsystemet. Tricket är att se till att motgiften är utformad så att den inte överstiger eller fastnar för mycket vid enzymet - och blir en del av problemet.

Till undsättning

I en studie finansierad av CounterACT -programmet, National Institutes of Health Office för direktören och National Institute of Neurological Disorders and Stroke och publicerade i Journal of Biological Chemistry , Radićs team designade och testade snabbverkande läkemedel som kallas reaktivatorer på tre olika nervmedel och ett bekämpningsmedel med positiva initiala resultat.

Teamet började med en befintlig läkemedelsförening (kodnamn RS194B), som utvecklades av Radić och UC San Diego professor Palmer Taylor cirka 15 år tidigare, eftersom den redan hade visat lovande att resa genom blod-hjärnbarriären när den testades på primater utsatta för organofosfatförgiftning.

Dock, de nydesignade reaktorerna fungerade bättre in vitro, eller utanför en levande organism, än RS194B, och forskargruppen tog reda på varför.

På atomnivå, RS194B kunde inte nå platsen för giftets aktivitet i AChE -molekylen lika effektivt som de nya reaktorerna.

För denna studie, laget använde röntgenkristallografisk analys för att titta på RS194B-komplexet med AChE-enzymet ensamt och introducerade sedan en analog av ett kemiskt nervmedel som heter VX-en av de dödligaste kemikalier som någonsin gjorts. Medan RS194B inte bindade som förväntat, experimentet främjade idéer om hur man skulle göra om "en slags elitförening, "Sa Kovalevsky.

"Vi måste förbättra reaktivatorns förmåga att passera blod-hjärnbarriären, binda löst till enzymet, rycka giftet kemiskt och lämna sedan snabbt, "Sa Kovalevsky." Vi vill inte att det ska stanna vid återaktivering, som vi gör för många standardläkemedel som normalt hämmar en enzymfunktion. "

"Det är vårt mål. Det är därför att designa reaktivatorer är en helt annan strävan och många regler för konventionell läkemedelsdesign gäller inte, " han lade till.

Efter några justeringar av läkemedelsdesignen, laget kom med ett nytt paradigm som helt kan förändra hur forskare tänker om en reaktivatordesign. De körde datorsimuleringar och syntetiserade senare flera mest lovande föreningar av de ändrade designalternativen, som gav detaljer om deras egenskaper och ledtrådar om hur varje förening kan fungera.

De analyserade effekten av varje variant av läkemedelsdesign, plus den ursprungliga RS194B, med nervmedel Sarin, Cyklosarin, VX och ett bekämpningsmedel Paraoxon. Också, teamet inkluderade 2PAM (även kallat Pralidoxime) - den enda motgiften för organofosfatförgiftning som är godkänd av U.S.Federal Drug Administration för användning hos vuxna och barn - som fungerade som kontroll för experimenten.

"Vi ville att våra reaktiveringsdesigner skulle vara lika bra som, eller bättre än, 2PAM i dessa studier, "sade Kovalevsky. Men 2PAM kan inte passera blod-hjärnbarriären. Det kan resa till andra giftverkade områden i kroppen för att verka på det perifera nervsystemet, men det återaktiveras inte i centrala nervsystemet.

Baserat på studiens första resultat, flera av teamets läkemedelsdesignvarianter fungerade bättre än RS194B och 2PAM, som Kovalevsky sa är ett mycket uppmuntrande resultat för deras nya idéer för reaktiveringsdesign.

"En av skillnaderna i vår motgift är att de kan engagera olika organofosfatgifter mer effektivt, eftersom deras reaktiveringsstrukturer kan förändras med deras protonering, "Sa Radić." Till skillnad från röntgenstrålar, diffraktion av neutroner är en experimentell teknik som kan berätta om protonernas position i både motgift och i det förgiftade enzymet. "

Stor, små kristaller

För att få en bättre bild av den nya reaktivatordesignen, laget använde neutronkristallografi vid ORNL:s High Flux Isotope Reactor, en användaranläggning för Department of Energy Office of Science. Kovalevsky driver instrumentet IMAGINE, som använder neutrondiffraktionstekniker för att titta på strukturen hos en enda kristall i atomskala.

Proteinets molekylära struktur är komplex, som kräver växande stora enkristaller - en styrka av ORNL - för neutrondiffraktion. Neutroner är mycket känsliga för ljuselement som väte, och de är särskilt väl lämpade för att hitta enskilda väteatomer i proteinkristaller som röntgen inte kan detektera. Uppgifterna som samlats in från IMAGINE, tillsammans med information från ett neutronförsök utfört vid Institut Laue – Langevin i Frankrike, bekräftade att det är möjligt att bestämma platsen och fördelningen av varje väteatom i proteinet.

Teamet kommer att fortsätta odla större kristaller för analys, som bör producera datamängder med högre upplösning och informera om justeringar av de lovande, nya läkemedelsdesigner. Deras fortsatta forskning kan i slutändan bekräfta en ny klass av snabbverkande, livräddande motgift mot organofosfatförgiftning.