在一项备受赞誉的研究活动成功地将一种丙型肝炎药物重新设计成治疗COVID-19的主要药物之一之后，美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们现在正在将他们的药物设计方法转向癌症。
在他们发表在《通讯化学》杂志上的最新研究中，研究小组利用中子和x射线绘制了一种关键酶内的每个原子、化学键和电荷的路线图，这种酶属于癌细胞过度使用以繁殖的代谢途径。
这一新发现基本上为开发新药铺平了道路，这些新药可以作为代谢途径上的障碍，切断癌细胞的重要资源供应。这些药物将被设计用于高度侵袭性的肿瘤形成癌症，这些癌症往往是晚期癌症，如肺癌、结肠癌、乳腺癌、胰腺癌和前列腺癌。
ORNL的资深科学家安德烈·科瓦列夫斯基说:“癌症有200多种类型，仍然是一种毁灭性的疾病。”“这意味着，如果我们要战胜这种疾病，就需要探索每一种选择，从肿瘤、细胞和分子到单个原子的每一个层面研究这种疾病的每一个方面。”
科瓦列夫斯基说，这项研究代表了研究代谢途径作为开发抗癌药物治疗目标的新兴趣。代谢途径是细胞内的一系列化学反应，其中一个反应的产物成为下一个反应的基础物质或底物。
Kovalevsky和他的团队感兴趣的一个特定途径是单碳代谢途径，或1C，它使用酶将碳单位从一个生物分子转移到另一个生物分子。这一作用在合成氨基酸、DNA和RNA等重要生物分子中起着至关重要的作用。换句话说，1C单位就像细胞生长和繁殖所需的燃料来源。这也意味着它们对癌细胞的不可控增殖也至关重要。
“这项研究很有趣，因为我们计划设计的分子将是代谢药物，这是第一批用于治疗癌症的药物，比如甲氨蝶呤。多年来，研究已经在其他方向研究其他途径，”科瓦列夫斯基说。“但最近有一种重新点燃或回归代谢药物的趋势，因为你真的需要多种不同的干预选择，有时需要同时对抗所有不同类型的癌症。”
1C通路中的一个关键酶是丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)。SHMT负责启动细胞中1C反应的大部分。而且，目前还没有批准的针对SHMT的抗癌药物。
“1C我。”代谢途径被许多类型的癌症“劫持”。如果你把这条通路想象成一条高速公路，那么SHMT就是癌症劫持交通的入口匝道，”该研究的主要作者、博士后研究员维多利亚·德拉戈(Victoria Drago)说。“用抑制剂或‘路障’阻断这种酶，可以阻止癌细胞使用这条高速公路，有效地切断了它们的燃料供应，从而阻止了它们的扩散。”
但是设计一种药物需要详细了解酶的结构，以及这种结构如何在原子水平上支撑其功能。为此，该团队使用中子和x射线散射实验的组合来绘制酶结构中每个原子的位置，以及化学键网络和相应的电荷。
了解小分子如何附着在酶上是设计匹配药物分子的关键——就像在3d中拼拼图一样——但这些小分子不仅要在形状上匹配，还要在电荷上匹配。科瓦列夫斯基将其比作使用尺寸和方向正确的电池为特定的电子设备供电。
x射线对像碳这样的重元素更敏感，而中子是研究像氢这样的轻元素的理想选择，在确定电荷和绘制酶-药物相互作用图方面也很有用。
中子尤其重要，因为氢原子在生物系统中约占所有原子的50%，它们的存在在决定药物分子和酶之间化学键的强度方面也起着重要作用。
为了追踪氢原子，研究人员在ORNL的散裂中子源(SNS)和高通量同位素反应堆(HFIR)上使用了中子仪器MANDI和IMAGINE。
中子实验使研究小组能够观察到SHMT酶是如何结合它的生理分子——丝氨酸氨基酸——来启动化学反应的，以及酶是如何在导致复杂反应序列的关键步骤中指导原子转移的。更重要的是，该研究证实了如何在丝氨酸进入化学反应发生的口袋之前将其捕获。
科瓦列夫斯基说:“多年来一直有关于这种酶的催化机制及其功能的建议，但现在我们确定了。”“只有通过精确定位这种酶反应途径中活性位点的所有原子，我们才能获得设计更好的药物所需的知识，从而增加对抗癌症的多种干预策略。”
这项研究是实现新型药物治疗的重要的第一步。研究活动的下一步包括研究不同反应阶段的酶，并测试它对现有药物抑制剂的作用。
中子研究是一项更大的努力的一部分，目的是研究一类类似于SHMT的酶，这些酶依赖于维生素B6的单一衍生物来进行140多种不同的化学反应。
德拉戈说:“SHMT的过量产生与恶性癌症患者的进一步减少有关。”“开发一种更有效的治疗方法，降低癌症的进展速度，可能会改变一个人的生活。”
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