"Apakah struktur molekul "Hadiah Hebat daripada Mikroorganisma"? Analisis lebih pantas dan mudah sekarang!
TEMUDUGA 12
Pengarah, Profesor
Institut Memorial Omura Satoshi
Sekolah Siswazah Sains Kawalan Jangkitan, Universiti Kitasato
Madya Toshiaki Sunazuka
"Apakah struktur molekul "Hadiah Hebat daripada Mikroorganisma"? Analisis lebih pantas dan mudah sekarang!
Institut Memorial Omura Satoshi, Universiti Kitasato terus menemui sebatian baharu setiap tahun, mengambil alih tema penyelidikan Dr. Satoshi Omura, pemenang Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Perubatan pada tahun 2015. Kami menemu bual Prof. Sunazuka, Pengarah, tentang penyelidikannya kepada cari produk semulajadi yang dihasilkan oleh mikroorganisma untuk penilaian sifat biologinya untuk menemui sebatian plumbum dadah.
Pergi ke pulau terpencil dan zon abyssal untuk menemui mikroorganisma yang belum pernah berlaku sebelum ini
"Kumpulan Omura berminat dengan tempat luar biasa di mana kita boleh menemui mikroorganisma baharu: Pulau terpencil, zon abyssal di laut, dan juga tempat seperti mata air panas...".
Prof. Sunazuka, Pengarah Institut Memorial Omura Satoshi, Universiti Kitasato menjelaskan sebab untuk mencari mikroorganisma yang tidak diketahui. Sesetengah mikroorganisma menghasilkan metabolit sekunder (bahan bioaktif) yang berfungsi sebagai pertahanan kepada organisma hidup yang lain. Sebatian ini pada asasnya adalah senjata untuk mikroorganisma untuk terus hidup menentang "musuh" mereka, contohnya mikroorganisma kompetitif lain untuk kedudukan hidup mereka. Walau bagaimanapun, metabolit sekunder tersebut selalunya mempunyai potensi perubatan yang juga boleh memberi manfaat kepada manusia.
Data analisis Ivermectin B1b
Sebagai contoh, Merck & Co. menyiasat actinomycetes yang ditemui dalam tanah yang dikumpul oleh Dr. Satoshi Omura di wilayah Shizuoka, yang menghasilkan metabolit sekunder yang sangat berkesan terhadap parasit. Produk semula jadi ini telah diperbaiki secara perubatan melalui pengubahsuaian kimia untuk menghasilkan ivermectin, yang pada mulanya digunakan sebagai ubat untuk haiwan dan kemudian untuk manusia. Ivermectin secara mendadak mengurangkan jangkitan yang disebabkan oleh parasit, seperti onchocerciasis (buta sungai) dan filariasis limfatik (keadaan kronik yang boleh menyebabkan kaki gajah), yang tersebar luas di kawasan tropika dan kawasan lain. Seperti yang anda ketahui, pencapaian ini membawa kepada pemenang anugerah Hadiah Nobel dalam Fisiologi atau Perubatan pada tahun 2015.
Mencari mikroorganisma baharu adalah tugas yang sukar dengan sendirinya, tetapi untuk mencapai penemuan dadah, beberapa peringkat tambahan diperlukan. Peringkat awal ialah mikroorganisma sasaran diasingkan dan dikultur untuk menilai sifat biologi metabolit sekunder yang dihasilkan oleh mikroorganisma. Jika bioaktiviti sup kultur menarik dan/atau menjanjikan, struktur kimia produk semula jadi dalam sup akan dianalisis. Jika sebatian itu berpotensi untuk menjadi peneraju bagi kimia perubatan, kami memulakan penyiasatan kimia melalui derivatisasi untuk keberkesanan yang lebih tinggi dan ketoksikan yang lebih rendah, serta kajian sintetik menyeluruh untuk mewujudkan laluan serba boleh untuk meneroka ruang kimia bersebelahan.
Setiap peringkat ini memerlukan kepakaran dengan tahap pengetahuan dan kemahiran yang tinggi. Pada masa ini, Institut Memorial Omura Satoshi terdiri daripada tujuh makmal dan empat pusat penyelidikan (sehingga Julai 2023). Apabila calon yang menjanjikan dikenal pasti, beberapa kumpulan di institut bekerjasama untuk mempercepatkan penyelidikan, seperti menghantar baton dalam relay. Kerja berpasukan yang begitu baik telah terbukti sangat berkesan, dan mereka berjaya menemui produk semula jadi baharu secara berterusan pada kadar kira-kira 10 sebatian setahun.
Buku Kuning
Produk semula jadi yang Dr. Omura dan pasukannya telah temui sehingga kini disusun dalam buku kecil yang biasanya dikenali sebagai "Buku Kuning". Bilangan sebatian dalam buku ini adalah kira-kira 500, atau kira-kira 200 dalam bilangan spesies. Lebih daripada 20 produk semula jadi atau derivatifnya telah dikomersialkan sebagai ubat untuk haiwan atau manusia, dan sebagai reagen untuk penyelidikan saintifik. Tajuk bahasa Inggeris buku kecil itu ialah "Hadiah Hebat daripada Mikroorganisma".
Secara dramatik mempercepatkan analisis struktur molekul yang mengambil masa setahun untuk disiapkan.
Di antara produk semula jadi dalam Buku Kuning, terdapat beberapa struktur 3-D molekulnya masih belum dijelaskan. Pada asasnya, apabila kita menemui sebatian yang menarik, kita ingin mengetahui struktur molekulnya. Ini kerana maklumat itu diperlukan untuk menjelaskan bahagian yang menyebabkan bioaktiviti atau untuk membangunkan cara mensintesisnya.
Untuk menjelaskan struktur molekul, kaedah seperti spektrometri resonans magnetik nuklear (NMR) dan analisis struktur sinar-X digunakan untuk menjadi biasa, yang juga berlaku dengan Institut Memorial Omura Satoshi, Universiti Kitasato. Khususnya, menggunakan analisis struktur sinar-X kristal tunggal memungkinkan untuk menentukan dengan jelas struktur 3D molekul daripada data difraksi sinar-X. Walau bagaimanapun, kesesakan kaedah ini adalah keperluan untuk menyediakan kristal tunggal yang besar (100um atau lebih) tanpa kekotoran. Produk semulajadi mempunyai struktur yang kompleks dan turun naik, menjadikannya sukar untuk mencipta kristal besar. Selepas banyak percubaan dan kesilapan, kadangkala mengambil masa enam bulan hingga setahun sebelum data boleh diperolehi.
Pada Disember 2021, difraktometer elektron "XtaLAB Synergy-ED" (selepas ini, "Synergy-ED") telah diperkenalkan oleh Institut Memorial Omura Satoshi, Universiti Kitasato. Instrumen ini menggunakan kaedah yang dipanggil MicroED iaitu untuk menyinari pancaran elektron, bukannya sinar-X, dan menggunakan data difraksi untuk menjelaskan struktur molekul. Ia dibangunkan bersama oleh Rigaku Corporation yang mempunyai teknologi pembelauan sinar-X dan JEOL yang mempunyai teknologi mikroskop elektron, dan sistem yang dihantar ke institut itu adalah mesin yang pertama.
Kelebihan Synergy-ED ialah ia boleh melakukan analisis struktur untuk kristal mikro beberapa 10 nm hingga beberapa 100 nm. Selain itu, oleh kerana kawasan sasaran untuk pengukuran adalah sangat kecil, walaupun terdapat kekotoran, data pembelauan yang sesuai boleh diperolehi dengan mengelakkannya. Beban dan masa untuk menyediakan sampel boleh dikurangkan dengan banyak. Ia dijangka mempercepatkan proses penyelidikan.
Beberapa sebatian telah pun diukur dengan menggunakan Synergy-ED di Institut Memorial Omura Satoshi, Universiti Kitasato. Memandangkan ia membolehkan untuk menjelaskan struktur molekul dalam masa yang singkat, "apabila kami melaporkan sebatian yang baru ditemui dalam kertas, kami boleh menyiarkan struktur molekul di dalamnya dan menjadikan kertas itu lebih meyakinkan". (Prof. Sunazuka).
Hakuhybotrol, polyketide yang dihasilkan oleh Hypomyces pseudocorticiicola, dicirikan dengan bantuan 3D ED/MicroED
Instrumen yang paling "memecah tanah" pada masa ini - Pemikiran Dr. Omura
Pengenalan Synergy-ED telah dicetuskan oleh sumbangan. Sumbangan yang murah hati telah dibuat oleh seseorang yang kagum dengan Dr. Omura memenangi Hadiah Nobel. Jumlah wang itu cukup untuk membeli alat yang mahal. Semasa Pengarah Sunazuka sedang memikirkan apa yang hendak dibeli dengan wang itu dan cara terbaik menggunakannya untuk manfaat semua orang, Dr. Omura membuat satu permintaan.
"Semasa saya menjadi pelajar siswazah di Universiti Sains Tokyo, saya mempunyai akses kepada spektrometer resonans magnetik nuklear (NMR) berprestasi tinggi 60 MHz, satu-satunya di Jepun pada masa itu. Saya memperoleh pengetahuan untuk mengendalikan dan menganalisis instrumen ini, yang memberi saya keyakinan untuk menentukan struktur sebatian. Ini menjadi senjata ampuh dalam kerjaya saya seterusnya sebagai penyelidik. Memandangkan kami telah menerima sumbangan yang begitu besar, mengapa tidak kita membeli instrumen yang paling "memecah tanah" tersedia hari ini?" Ia akan menjadi rangsangan bagi sesetengah penyelidik dan senjata bagi yang lain. Ia juga akan menjadi peringatan kepada Institut Memorial Omura Satoshi, Universiti Kitasato. Inilah yang ada dalam fikirannya ketika bercakap.
Mengikuti cerita ini, apabila Pengarah Sunazuka sedang mencari instrumen "pemecah tanah", dia mendengar bahawa Synergy-ED sedang dalam pembangunan dan memutuskan untuk memperkenalkannya.
Teknik MicroED yang digunakan dalam Synergy-ED adalah kaedah yang agak baharu, diumumkan pada penghujung tahun 2013 oleh Profesor Tamir Gonen dan rakan-rakannya di Institut Perubatan Howard Hughes. Keupayaan untuk menganalisis struktur molekul sebatian yang hanya kristal sekecil beberapa ratus nm boleh diperolehi adalah benar-benar hebat. Walau bagaimanapun, kerana ia memerlukan pengetahuan mikroskop elektron dan analisis struktur kristal, sesetengah orang mungkin merasakan ia agak sukar. Namun, Synergy-ED ialah instrumen terobosan yang telah meluaskan julat pengguna dengan menawarkan aliran lancar daripada pengukuran kepada analisis, menjadikannya instrumen pembelauan elektron khusus yang boleh digunakan walaupun oleh bukan pakar.
Malah, Universiti Kitasato telah mempunyai pelbagai orang mengalami Synergy-ED. Sebahagian daripada mereka adalah pelajar sarjana muda. Bukan sahaja penyelidik tetapi juga pelajar menyedari bahawa "sesiapa sahaja boleh menjelaskan struktur molekul selagi mereka boleh membuat kristal mikro," dan ini menjadi kebiasaan. Synergy-ED mungkin salah satu instrumen yang telah mencipta piawaian baharu ini.
Yoshihiro Watanabe (Penyelidik) mengendalikan Synergy-ED
Pada masa hadapan, beberapa analisis menggunakan Synergy-ED diunjurkan di Institut Memorial Omura Satoshi.
Mereka bukan sahaja mahu membantu menggunakan keputusan untuk analisis produk semula jadi baharu dan pembangunan teknik penyelidikan baharu, tetapi juga untuk menjelaskan semua struktur 3D untuk produk semula jadi dalam "Buku Kuning".
Kami ingin memahami dengan baik hadiah indah daripada mikroorganisma dan menerimanya. Dengan berbuat demikian, kita mungkin dapat memahami nilai hadiah dengan lebih baik.
JEOL NMR, "JNM-ECA500" juga digunakan di Institut Memorial Omura Satoshi, Universiti Kitasato
Toshiaki Sunazuka
1988 Ph.D. dari Pusat Pengajian Siswazah Sains Farmaseutikal Universiti Kitasato. Ph. D. dalam Sains Farmaseutikal.
Pada tahun 1990, selepas menamatkan pengajiannya di Jabatan Kimia, Universiti Pennsylvania, beliau menyertai Institut Kitasato. Selepas bekerja sebagai pensyarah sepenuh masa di Fakulti Sains Farmaseutikal Universiti Kitasato, beliau menjadi profesor di Institut Sains Hayat Kitasato, Universiti Kitasato, dan profesor (secara serentak) di Sekolah Siswazah Sains Kawalan Jangkitan, Universiti Kitasato di 2005, dan Pengarah Pusat Promosi Penyelidikan, Institut Sains Hayat Kitasato pada 2012, telah berkhidmat sebagai jawatan semasa pada 2020. Mengkhususkan diri dalam kimia organik sintetik produk semula jadi dan kimia perubatan.
Disiarkan: November 2023