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Experimentos com nêutrons encerram debate de 40 anos sobre enzimas para design de medicamentos
Em apenas dois experimentos com nêutrons, cientistas descobriram detalhes notáveis sobre a função de uma enzima que pode auxiliar no desenvolvimento de medicamentos para cânceres agressivos.
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Sumner Brown Gibbs - 24/09/2024
Reação catalisada por SHMT e as estruturas 3D de TthSHMT. Crédito: Chemical Science (2024). DOI: 10.1039/D4SC03187C
Em apenas dois experimentos com nêutrons, cientistas descobriram detalhes notáveis sobre a função de uma enzima que pode auxiliar no desenvolvimento de medicamentos para cânceres agressivos.
Os cientistas, trabalhando no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia, usaram nêutrons na Fonte de Nêutrons de Espalação e no Reator de Isótopos de Alto Fluxo para identificar a química exata em escala atômica na serina hidroximetiltransferase, ou SHMT, uma enzima metabólica necessária para a divisão celular.
O câncer sequestra reações químicas na via metabólica que envolve SHMT e outras enzimas críticas e transforma todo o processo em um trem desgovernado, reproduzindo rapidamente células cancerígenas. Projetar um inibidor para bloquear a função da enzima, que cai no início da via metabólica, pode atrapalhar as tentativas do câncer de ultrapassá-la. Os resultados foram publicados na Chemical Science .
"Acredito que os nêutrons serão muito procurados no futuro design de medicamentos baseados em estrutura ", disse Victoria Drago, do ORNL, autora principal e bioquímica que trabalha em colaboração com Andrey Kovalevsky, um renomado cientista de P&D do ORNL, que usa difração de nêutrons para iluminar estruturas de proteínas.
"Este artigo é um bom exemplo de quão rapidamente os nêutrons podem produzir informações que têm sido objeto de debate por muito tempo. Estudos sobre a função SHMT e seu mecanismo catalítico datam do início dos anos 1980."
O mecanismo catalítico exato e os papéis de vários resíduos de aminoácidos no sítio ativo da enzima têm sido debatidos por décadas. No estudo atual, os pesquisadores observaram que apenas um resíduo de aminoácido, um glutamato, regula reações químicas para essa enzima.
"Os dados de nêutrons mostram claramente que o glutamato, que é um ácido, tem o próton nele", disse o coautor Robert Phillips, professor de química na Universidade da Geórgia. "Você pode esperar que ele já tenha cedido seu próton. Mas como ele é capaz de carregar esse próton, ele pode transferi-lo de um lado para o outro. Então, ele age como um ácido e uma base."
Em uma via conhecida como metabolismo de um carbono, essa enzima funciona dentro da mitocôndria da célula, ou produtora de energia. Ela converte o aminoácido serina em outro aminoácido chamado glicina, transferindo um átomo de carbono para o tetraidrofolato, uma forma reduzida de ácido fólico. Essa reação produz blocos de construção para a síntese de ácidos nucleicos, como DNA e RNA, e outras moléculas biológicas críticas para a divisão celular . O glutamato controla esse processo.
Departamento de Energia dos EUA
Em um experimento anterior , a equipe combinou duas técnicas, cristalografia de nêutrons e raios X em temperatura ambiente fisiologicamente relevante, para entender a SHMT e mapear sua estrutura proteica antes de sua interação com o tetraidrofolato. No experimento atual, os pesquisadores capturaram a enzima na próxima etapa, estabelecendo certeza sobre como o mecanismo de reação da enzima realmente funciona.
Pintando o quadro com nêutrons
Os nêutrons veem elementos leves, como hidrogênio, e os raios X veem elementos mais pesados, como carbono, nitrogênio e oxigênio. A difração de nêutrons no SNS e HFIR, a difração de raios X interna no ORNL e a difração de raios X síncrotron no Advanced Photon Source do Argonne National Laboratory forneceram insights que a equipe precisava para caracterizar definitivamente a reação química da enzima.
"Os nêutrons nos permitem ver átomos de hidrogênio , e o hidrogênio impulsiona a química", disse Drago. "As enzimas são cerca de 50% compostas de átomos de hidrogênio. Em termos de eletrostática, o hidrogênio também carrega uma carga positiva, que dita o ambiente da enzima. Uma vez que você tem um cristal que difratará nêutrons, você tem tudo o que precisa. Você vê as posições onde os hidrogênios estão localizados e, igualmente importante, as posições sem hidrogênios. Você obtém a imagem completa."
Conforme mostrado na animação, as mitocôndrias das células cancerígenas produzem em excesso a enzima SHMT, um tetrâmero construído a partir de quatro cadeias peptídicas idênticas, ou protômeros, mostrados em cinza. A SHMT funciona usando piridoxal-5'-fosfato, ligado covalentemente à SHMT, e tetra-hidrofolato, mostrados em dourado e roxo, respectivamente.
O tetraidrofolato atua como um substrato que se liga aos sítios ativos de todos os quatro protômeros. Os átomos de hidrogênio, mostrados piscando em verde, revelaram o mecanismo catalítico exato e os papéis de vários resíduos de aminoácidos nos sítios ativos da enzima. Uma vez que a enzima libera o tetraidrofolato, um inibidor, mostrado em azul, pode ser projetado para bloquear outras reações químicas nesses sítios, interrompendo a via metabólica de um carbono nas células cancerígenas.
"As localizações dos átomos de hidrogênio determinam estados de protonação de grupos químicos específicos dentro dos sítios ativos da enzima", disse Kovalevsky. "Assim, eles fornecem informações sobre a distribuição de carga elétrica, ou eletrostática. Esse conhecimento é crucial para projetar inibidores de moléculas pequenas que se ligariam ao SHMT, substituindo o tetra-hidrofolato e interrompendo a função da enzima."
As células contêm milhares de enzimas que funcionam como catalisadores que aceleram as reações bioquímicas necessárias para as funções corporais — da respiração à produção de hormônios e à função nervosa. As enzimas também fornecem um lugar para colocar produtos químicos que visam processos específicos.
Outras enzimas na via metabólica de um carbono já são alvos bem conhecidos para medicamentos contra o câncer, como metotrexato e fluorouracil. No entanto, a SHMT chega mais cedo nessa via, apresentando uma oportunidade de parar o câncer mais cedo.
Drago e Kovalevsky examinam o cristal que Drago cresceu no ORNL para aprender mais sobre reações químicas para SHMT, uma enzima que cai no início da via metabólica de um carbono. Crédito: Sumner Brown Gibbs/ORNL, Departamento de Energia dos EUA
Mas as dificuldades com o tratamento do câncer se relacionam em parte com seus ataques furtivos aos processos metabólicos. Ao contrário da resistência a medicamentos em doenças infecciosas, se um caminho não funciona bem, o câncer recalibra outros processos metabólicos para superproduzir células cancerígenas.
"Agora que conhecemos os detalhes atômicos da SHMT, podemos informar o design de um inibidor para atingir essa proteína específica como parte de uma terapia combinada", disse Kovalevsky.
"Se você comparar isso ao tratamento de doenças infecciosas, isso é muito mais difícil porque na quimioterapia do câncer, você geralmente tem como alvo suas próprias proteínas, e é por isso que os pacientes apresentam efeitos colaterais. Em doenças infecciosas , as proteínas que você tem como alvo pertencem aos vírus ou bactérias. Mas com o câncer, você tem que matar suas próprias células. A ideia aqui é matar o câncer mais cedo e ter menos efeito no paciente."
Acelerando o ritmo da descoberta
A equipe usou nêutrons no instrumento MaNDi no SNS e no instrumento IMAGINE no HFIR para sua pesquisa. O recente projeto Proton Power Upgrade do ORNL adicionou feixes mais fortes para todos os instrumentos no SNS. Feixes de prótons mais fortes significam mais nêutrons. Mais nêutrons significam tempos de coleta de dados mais curtos com amostras menores, acelerando respostas que ajudam os cientistas a projetar medicamentos mais inteligentes para tratar doenças.
"A pesquisa de descoberta é absolutamente essencial", disse William Nelson, diretor do Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center na Johns Hopkins, que não foi autor de nenhum dos estudos liderados pelo ORNL. "Estamos nos aproximando cada vez mais do espaço onde, com a ajuda da IA, seremos capazes de sequenciar um gene no câncer de alguém, prever como seria a estrutura da proteína e fazer um medicamento para ingerir; funcionará muito bem, e faremos isso em uma hora e meia.
"Mas ainda não chegamos lá. Então, quanto mais soubermos sobre a estrutura real da proteína, estrutura química e a maneira como as coisas interagem, melhor seremos capazes de treinar modelos de IA para prever coisas que não sabemos imediatamente."
Mais informações: Victoria N. Drago et al, Universalidade do glutamato do sítio ativo crítico como um catalisador ácido-base na função da serina hidroximetiltransferase, Chemical Science (2024). DOI: 10.1039/D4SC03187C
Informações do periódico: Chemical Science
