Die Natur als Vorbild: Neue Bibliothek für Wirkstoffsuche

Viele in der Medizin hochaktive Wirkstoffe sind Naturstoffe oder nah mit ihnen verwandt. Dazu zählen auch die sogenannten Makrozyklen, die wegen ihres Ringsystems aus Kohlenstoffatomen nur schwer im Labor hergestellt werden können. Chemiker der Universität Basel haben nun eine Synthese entwickelt, mit der eine riesige Bibliothek von Makrozyklen zur Wirkstoffsuche aufgebaut werden kann, berichten sie in der Fachzeitschrift «Angewandte Chemie».
Die natürliche Evolution hat eine enorme Vielfalt an molekularen Strukturen kleiner Moleküle hervorgebracht, die in lebende Systeme eingreifen und daher als Wirkstoffe in der Medizin eingesetzt werden. Sämtliche der mehreren Dutzend zugelassenen Wirkstoffe mit makrozyklischer Struktur sind entweder Naturstoffe oder Derivate davon.

Für die Suche nach neuen Wirkstoff-Leitstrukturen werden grosse Screening-Bibliotheken mit vielfältigen Strukturen benötigt, also möglichst umfangreiche Sammlungen von möglichen Verbindungen. Bei der Synthese der bioaktiven Makrozyklen konnten Chemiker bislang die Natur nicht nachahmen – und durch die langen Synthesewege im Labor sind grosse Bibliotheken nicht zugänglich.

Herausforderung für Synthesechemie

Forscher des Departements Chemie der Universität Basel haben nun eine Syntheseroute entwickelt, durch die eine Bibliothek von mehr als einer Million verschiedener Makrozyklen erstellt werden konnte. Als Strukturelemente wurden auch solche eingebaut, die in natürlich vorkommenden, biologisch aktiven Makrozyklen enthalten sind.

Die Synthese basiert auf dem sogenannten Split-and-Pool-Prinzip: Vor dem Einfügen eines Variationsbausteines wird die gesamte Bibliothek auf verschiedene Reaktionsgefässe aufgeteilt und dort mit je einem Baustein gekoppelt. Danach werden die neu entstandenen Moleküle durch ein hinzukommendes DNS-Stück gekennzeichnet und der Inhalt aller Reaktionsgefässe wird wieder vermischt.

So entstehen Kreuzprodukte aller Bausteine, und jeder Kombination haftet ein spezifischer DNS-Barcode an. Dieser Syntheseansatz kann ein Wirkstoff-Screening deutlich vereinfachen, da alle 1,4 Millionen Verbindungen der Bibliothek in einem einzigen Experiment untersucht werden können. Treffer, die im Test an ein Zielprotein binden, können dann mithilfe moderner Sequenzierungsmethoden durch den DNS-Barcode eindeutig identifiziert werden.

Hochpotent, aber wenig eingesetzt

Die meisten niedermolekularen Wirkstoffe sind hydrophob (wassermeidend) mit einem niedrigen Molekulargewicht (unter 500 Dalton), wodurch sie ohne Probleme durch die Zellmembran hindurchschlüpfen können und so einen Zugang zur grossen Mehrheit krankheitsrelevanter Proteine bekommen. Makrozyklen wirken diesem Trend entgegen, da sie gemäss gängiger Standards der medizinischen Chemie oft sehr gross sind (über 800 Dalton) und dennoch passiv durch die Zellmembran diffundieren können.

Wissenschaftler vermuten, dass diese spezielle Eigenschaft der natürlich vorkommenden Makrozyklen von ihrer Fähigkeit herrührt, je nach umgebendem Medium eine unterschiedliche räumliche Struktur (Konformation) einzunehmen. In der eher wässrigen Umgebung, wie sie im Blut oder dem Zellinneren vorherrscht, werden die wasseraffinen Gruppen exponiert, wodurch der Makrozyklus in der Lösung bleibt. Löslichkeit in und passive Diffusion durch hydrophobe Membranen werden dagegen durch eine Änderung der Konformation in Richtung einer eher hydrophoben Oberfläche ermöglicht.

Neue Anwendungen möglich

Angesichts dieser einzigartigen Eigenschaften sind Makrozyklen in der Medizinischen Chemie auffallend unterrepräsentiert. Dies ist vor allem auf die Herausforderungen bei der Synthese dieser Verbindungsklasse zurückzuführen, sodass bisher keine grossen Bibliotheken für Screenings zur Verfügung standen. Durch die effiziente Synthesestrategie und der Methode der DNS-Barkodierung konnte die Forschungsgruppe um Gillingham diese Hürde nun überwinden.

Weiterführende Links

• Arbeitsgruppe Prof. Dr. Dennis Gillingham

«Die jetzt zugängliche reichhaltige Bibliothek naturstoffähnlicher Verbindungen aus der Klasse der Makrozyklen sollte eine tiefergehende Untersuchung der Eigenschaften dieser aussergewöhnlichen Moleküle ermöglichen, die auf eine grössere Datenmenge gestützt ist», kommentiert Dennis Gillingham. «Dies könnte bis zur Untersuchung neuer medizinischer Anwendungen, Wirkprinzipien und Targets gehen.»

Originalarbeit

Cedric Stress, Basilius Sauter, Lukas Schneider, Timothy Sharpe, Dennis Gillingham
Eine DNA‐kodierte Molekülbibliothek mit Elementen natürlicher Makrocyclen
Angewandte Chemie International Edition (2019), doi: 10.1002/ange.201902513