Eksperimen neutron membantu mengungkap mekanisme enzimatik satu karbon yang mensintesis sumber makanan penting bagi sel kanker yang bergantung pada vitamin B6, memberikan wawasan penting dalam merancang obat baru untuk memperlambat penyebaran kanker agresif. Kredit: Jill Hemman/ORNL, Departemen Energi AS
Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Oak Ridge memajukan penelitian pengobatan kanker dengan merancang obat yang menargetkan jalur metabolisme yang diandalkan sel kanker untuk pertumbuhan. Dengan memetakan struktur enzim kunci dengan neutron dan sinar-X, mereka bertujuan untuk mengembangkan pengobatan untuk kanker agresif, termasuk kanker paru-paru dan payudara.
Setelah kampanye penelitian yang sangat dipuji yang berhasil mendesain ulang obat hepatitis C menjadi salah satu obat perawatan terkemuka COVID 19para ilmuwan di Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi kini mengalihkan pendekatan desain obat mereka ke arah kanker.
Dalam sebuah penelitian terbaru yang dipublikasikan di jurnal Kimia Komunikasitim menggunakan neutron dan sinar-X untuk menggambar peta jalan masing-masing atomikatan kimia, dan muatan listrik di dalam enzim kunci yang termasuk dalam jalur metabolisme yang digunakan secara berlebihan oleh sel kanker untuk bereproduksi.
Informasi baru ini pada dasarnya membantu membuka jalan bagi pengembangan obat baru yang bertindak sebagai penghalang sepanjang jalur metabolisme untuk memutus pasokan sumber daya penting bagi sel kanker. Obat-obatan tersebut akan dirancang untuk menargetkan kanker pembentuk tumor yang sangat agresif yang sering kali menjadi stadium akhir, seperti kanker paru-paru, usus besar, payudara, pankreas, dan prostat.
Memahami Kanker di Tingkat Atom
“Dengan lebih dari 200 jenis, kanker terus menjadi penyakit yang mematikan,” kata ilmuwan senior ORNL Andrey Kovalevsky. “Artinya, jika kita ingin mengalahkan penyakit ini, kita perlu mengeksplorasi setiap pilihan dan mempelajari setiap aspek penyakit ini di setiap tingkatan – mulai dari tumor, sel, dan molekul hingga atom individu.”
Kovalevsky mengatakan penelitian ini mewakili minat baru dalam mempelajari jalur metabolisme sebagai target pengembangan pengobatan obat antikanker. Jalur metabolisme adalah serangkaian reaksi kimia di dalam sel dimana produk dari satu reaksi menjadi bahan dasar, atau substrat, untuk reaksi berikutnya.
Jalur spesifik yang menarik bagi Kovalevsky dan timnya adalah jalur metabolisme satu karbon, atau 1C, yang menggunakan enzim yang mentransfer unit karbon dari satu biomolekul ke biomolekul lainnya. Tindakan ini memainkan peran penting dalam sintesis molekul biologis penting seperti asam amino, DNA Dan RNA. Dengan kata lain, unit 1C seperti sumber bahan bakar yang dibutuhkan sel untuk tumbuh dan berkembang biak. Itu juga berarti mereka juga penting untuk perkembangbiakan sel kanker yang tidak terkendali.
“Penelitian ini menarik karena molekul yang kami rencanakan untuk dirancang adalah obat metabolik, yang merupakan obat pertama – seperti metotreksat – yang dikembangkan untuk mengobati kanker. Selama bertahun-tahun, penelitian telah mengarah ke arah lain untuk mempelajari jalur lain,” kata Kovalevsky. “Tetapi baru-baru ini terjadi kembalinya penggunaan obat-obatan metabolik karena Anda benar-benar memerlukan banyak pilihan intervensi yang berbeda, terkadang pada saat yang sama untuk melawan semua jenis kanker.”
Merintis Desain Obat Dengan Hamburan Neutron
Salah satu enzim penting dalam jalur 1C adalah serine hydroxymethyltransferase, atau SHMT. SHMT bertanggung jawab untuk memulai sebagian besar reaksi 1C pada sel. Dan, saat ini, tidak ada obat antikanker yang disetujui yang menargetkan SHMT secara spesifik.
“Jalur metabolisme 1C ‘dibajak’ oleh banyak jenis kanker. Jika Anda menganggap jalur ini sebagai jalan raya, SHMT adalah jalan yang diperlukan untuk membajak lalu lintas,” kata peneliti pascadoktoral Victoria Drago, penulis utama studi tersebut. “Memblokir enzim dengan inhibitor atau ‘penghalang jalan’ mencegah sel-sel kanker menggunakan jalan raya, secara efektif memutus pasokan bahan bakar mereka, sehingga mencegah penyebarannya.”
Namun merancang obat memerlukan pemahaman rinci tentang struktur enzim dan bagaimana struktur tersebut menopang fungsinya pada tingkat atom. Untuk melakukan hal ini, tim menggunakan kombinasi eksperimen hamburan neutron dan sinar-X untuk memetakan lokasi setiap atom dalam struktur enzim serta jaringan ikatan kimia dan muatan listrik yang sesuai.
Mengetahui bagaimana molekul kecil menempel pada enzim adalah kunci untuk merancang molekul obat yang cocok – seperti menyusun potongan puzzle dalam 3D – tetapi potongan tersebut tidak hanya harus cocok dalam bentuk tetapi juga muatan listriknya. Kovalevsky menyamakannya dengan menggunakan baterai yang tepat dengan ukuran dan orientasi yang benar untuk memberi daya pada perangkat elektronik tertentu.
Berbeda dengan sinar-X yang lebih sensitif terhadap unsur berat seperti karbon, neutron ideal untuk mempelajari unsur ringan seperti hidrogen dan berguna dalam menentukan muatan listrik dan memetakan interaksi enzim-obat.
Neutron sangat penting karena atom hidrogen membentuk sekitar 50% dari seluruh atom dalam sistem biologis, dan keberadaannya juga memainkan peran penting dalam menentukan kekuatan ikatan kimia antara molekul obat dan enzim.
Untuk melacak atom hidrogen, para peneliti menggunakan instrumen neutron MANDI dan IMAGINE di Sumber Neutron Spallation ORNL, atau SNS, dan Reaktor Isotop Fluks Tinggi, atau HFIR. Eksperimen neutron memungkinkan tim untuk mengamati bagaimana enzim SHMT mengikat molekul fisiologisnya – serine amino asam — untuk memulai reaksi kimia, serta bagaimana enzim mengarahkan transfer atom dalam langkah-langkah penting yang mengarah ke rangkaian reaksi kompleks. Yang lebih penting lagi, penelitian ini mengkonfirmasi bagaimana mungkin untuk menjebak serin tepat sebelum ia berpindah ke kantong tempat reaksi kimia berlangsung.
“Ada usulan selama bertahun-tahun mengenai mekanisme katalitik enzim dan bagaimana fungsinya, tapi sekarang kita tahu pasti,” kata Kovalevsky. “Hanya dengan menunjukkan dengan tepat semua atom di situs aktif di sepanjang jalur reaksi enzim ini, kita memperoleh pengetahuan yang kita perlukan untuk merancang obat yang lebih baik yang menambah berbagai strategi intervensi untuk melawan kanker.”
Penelitian ini mewakili langkah pertama yang signifikan dalam mewujudkan pengobatan obat baru. Langkah selanjutnya dalam kampanye penelitian ini melibatkan mempelajari enzim dalam berbagai tahap reaksi dan mengujinya terhadap obat penghambat yang ada.
Penelitian neutron adalah bagian dari upaya lebih besar yang didanai oleh Institut Kesehatan Nasional untuk mempelajari kelas enzim yang luas mirip dengan SHMT yang mengandalkan turunan tunggal vitamin B6 untuk melakukan lebih dari 140 reaksi kimia yang berbeda.
“Produksi SHMT yang berlebihan telah dikaitkan dengan penurunan lebih lanjut jumlah pasien yang menderita kanker agresif,” kata Drago. “Mengembangkan pengobatan yang lebih efektif yang mengurangi laju perkembangan kanker bisa menjadi hal yang membuat perbedaan besar dalam hidup seseorang.”
Referensi: “Mengungkap keadaan protonasi dan melacak substrat dalam serin hidroksimetiltransferase dengan sinar-X suhu kamar dan kristalografi neutron” oleh Victoria N. Drago, Claudia Campos, Mattea Hooper, Aliyah Collins, Oksana Gerlits, Kevin L. Weiss, Matthew P. Blakeley , Robert S. Phillips dan Andrey Kovalevsky, 3 Agustus 2023, Kimia Komunikasi.
DOI: 10.1038/s42004-023-00964-9
Selain Kovalevsky dan Drago, rekan penulis studi ini termasuk Claudia Campos, Mattea Hooper, Aliyah Collins, Oksana Gerlits, Kevin L. Weiss, Matthew P. Blakeley dan Robert S. Phillips. Pengukuran neutron dan sinar-x komplementer dilakukan di Institut Laue-Langevin, Prancis, dan Advanced Photon Source, atau APS, di Argonne National Laboratory.
HFIR, SNS, dan APS merupakan fasilitas pengguna DOE Office of Science.
