Genom en unik kombination av datorsimuleringar och laboratorieexperiment, forskare vid Paul Scherrer Institute (PSI) har upptäckt nya bindningsställen för aktiva medel - mot cancer, till exempel — på ett vitalt protein i cellcytoskelettet. Elva av platserna hade inte varit kända tidigare. Studien publiceras idag i tidskriften Angewandte Chemie International Edition.

Proteinet tubulin är en väsentlig byggsten i det så kallade cellcytoskelettet. I celler, tubulinmolekyler ordnar sig i rörliknande strukturer, mikrotubulifilamenten. Dessa ger celler sin form, hjälper till att transportera proteiner och större cellulära komponenter, och spelar en avgörande roll vid celldelning.

Således utför tubulin olika funktioner i cellen och interagerar därigenom med många andra ämnen. "Tubulin kan binda ett häpnadsväckande antal olika proteiner och små molekyler, säkert flera hundra, säger Tobias Mühlethaler, doktorand i PSI Laboratory of Biomolecular Research och första författare till studien. Proteinets funktioner styrs med hjälp av sådana bindningar. Också, många läkemedel dockar på tubulin och får effekt, till exempel, genom att förhindra celldelning i tumörer.

"I detta projekt, vi tog upp den grundläggande frågan om hur många bindningsställen totalt som finns på detta vitala protein, " Mühlethaler förklarar. "Om vi ​​upptäcker nya, dessa skulle möjligen kunna användas terapeutiskt."

Från det virtuella till laboratoriet

I datorsimuleringar utförda i samarbete med det italienska tekniska institutet i Genua, forskarna kammade igenom proteinets struktur:De identifierade platser där andra molekyler kunde docka särskilt väl till tubulin. Dessa är de så kallade bindningsfickorna. Därefter i ett verkligt laboratorieexperiment, forskarna försökte verifiera sådana platser. För detta, de använde en metod som kallas fragmentscreening:Börjar med hundratals kristaller av tubulin, forskarna lade till individuella lösningar innehållande fragment av molekyler som är typiska prekursorer för lovande aktiva ämnen. Inom en timme, tubulinkristallerna kunde suga upp så mycket av fragmentlösningen som de kunde hålla. Slutligen fiskades kristallerna upp ur vätskan och exponerades för synkrotronröntgenstrålning. På basis av det resulterande diffraktionsmönstret, forskarna kan sluta sig till kristallens struktur. Således kunde det fastställas om och var molekylfragmenten har bundit till proteinet.

"Båda metoderna, datorsimuleringar och fragmentscreening, har sina respektive styrkor och svagheter, " säger Michel Steinmetz, chef för Laboratoriet för biomolekylär forskning. "Genom att kombinera dem, vi ser till att inget bindningsställe på proteinet undgår vår sökning."

Elva nya

Övergripande, forskarna hittade 27 bindningsställen på tubulin där molekyler eller andra proteiner kan docka. "Elva av dem hade aldrig beskrivits tidigare, säger Mühlethaler. Dessutom forskarna identifierade 56 fragment som binder till tubulin och som kan vara lämpliga för att utveckla nya aktiva medel.

Som forskarna betonar, deras tillvägagångssätt är också överförbart till andra proteiner. "Här har vi utvecklat en metod för tidig upptäckt av så kallade blymolekyler och, med det, nya utgångspunkter för utveckling av aktiva medel, ", säger Michel Steinmetz. Det borde vara möjligt att tillämpa denna metod framgångsrikt på alla proteiner för vilka högkvalitativa kristaller kan erhållas.

"Sökandet efter potentiella nya blymolekyler är ett fokus för den schweiziska ljuskällan SLS, " Steinmetz tillägger. "Detta kommer att få allt större betydelse efter uppgraderingen till SLS 2.0, planeras för de kommande åren, har ägt rum."