La plataforma integrada promete acelerar el proceso de descubrimiento de fármacos

Según un estudio publicado el 30 de noviembre en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Un desafío importante ha sido determinar el mecanismo de acción y el objetivo biológico de un nuevo compuesto bioactivo. Otro desafío central es identificar la molécula o moléculas que impulsan la actividad biológica en una mezcla compleja de la naturaleza.

'Estos dos grandes conceptos han estado en el centro de nuestro programa de colaboración, y este artículo reúne esas dos preguntas en un enfoque totalmente integrado', dijo el autor correspondiente John MacMillan, profesor de química y bioquímica en UC Santa Cruz.

Además de MacMillan, la colaboración involucra a Scott Lokey, profesor de química y bioquímica y director del Centro de Detección Química de UC Santa Cruz, Roger Linington de la Universidad Simon Fraser en Columbia Británica y Michael White del Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas.

Al integrar los resultados de dos plataformas de detección completamente diferentes y combinarlos con análisis metabolómicos de próxima generación de sus bibliotecas de productos naturales, los investigadores crearon un marco único y poderoso para la caracterización biológica de productos naturales. Utilizando este enfoque para examinar una pequeña colección de fracciones microbianas de productos naturales seleccionadas al azar, pudieron identificar un compuesto conocido (tricostatina A) y confirmar su mecanismo de acción; vincular un compuesto conocido (surugamida) con una nueva actividad biológica (inhibición de la quinasa dependiente de ciclina); y descubrir nuevos compuestos (parkamicinas A y B) con actividad biológica compleja.

'Encontrar un compuesto conocido que se agrupa como se esperaba nos dice que está funcionando, y luego pudimos correlacionar un compuesto conocido con un nuevo mecanismo de acción', dijo MacMillan. 'Finalmente, descubrimos un nuevo compuesto químico con una firma biológica única, diferente a cualquier compuesto conocido. Es un hallazgo emocionante que queremos investigar más a fondo'.

Los investigadores utilizaron un método bioinformático llamado Similarity Network Fusion (SNF), desarrollado para integrar conjuntos de datos complejos, para combinar datos de dos plataformas de detección de productos naturales que habían desarrollado sus laboratorios. Una plataforma (Ontología de Firma Funcional, o FUSION), desarrollada por el laboratorio de MacMillan, utiliza firmas de expresión genética inducidas en células por compuestos conocidos y desconocidos, junto con herramientas de coincidencia de patrones para indicar mecanismos de acción a través de 'culpabilidad por asociación'.

'Si vemos efectos similares a uno de esos compuestos conocidos, eso sugiere un mecanismo de acción similar. Hemos utilizado esta tecnología de manera efectiva para comprender la actividad biológica de una serie de moléculas pequeñas únicas', dijo MacMillan.

La otra plataforma, una tecnología de perfiles citológicos (CP) desarrollada por el laboratorio de Lokey, implica el análisis de imágenes de alto contenido de células expuestas a las muestras que se analizan y luego se tiñen con un panel de sondas fluorescentes para resaltar características citológicas clave. Las imágenes de microscopía de fluorescencia automatizada producen un total de 251 características citológicas únicas para cada muestra.

Los investigadores utilizaron las tecnologías CP y FUSION para examinar bibliotecas complejas de productos naturales desarrolladas por los laboratorios de MacMillan y Linington. Estas bibliotecas se derivaron de bacterias marinas aisladas por los dos laboratorios.

Para buscar productos naturales bioactivos, los investigadores cultivan las cepas bacterianas en el laboratorio, hacen un extracto crudo de todos los compuestos producidos por cada cepa y luego usan cromatografía para separar cada extracto en una serie de fracciones, cada una de las cuales contiene de dos a 20 compuestos.

Los métodos de espectrometría de masas se utilizan ampliamente para el estudio a gran escala de moléculas pequeñas ('metabolómica') y pueden ayudar a identificar los constituyentes químicos de cada fracción. Un enfoque llamado Compound Activity Mapping desarrollado por Linington y otros combina la metabolómica basada en espectrometría de masas con datos de detección biológica para identificar qué compuestos en una mezcla están impulsando una firma biológica particular.

En el nuevo estudio, los investigadores desarrollaron un flujo de trabajo de procesamiento de muestras utilizando espectrometría de masas y una versión modificada de su plataforma Compound Activity Mapping que incorpora los resultados integrados de sus tecnologías de detección obtenidos con Similarity Network Fusion.

'La pregunta es: ¿podemos usar todo eso para extraer las sustancias químicas que impulsan una firma particular y hacer predicciones más sólidas del mecanismo de acción? Nuestro enfoque nos permitió lograrlo de una manera bastante sustancial', dijo MacMillan. .

Además de MacMillan, Lokey y Linington, los coautores del artículo incluyen a Michael White, Suzie Hight, Elizabeth McMillan, Anam Shaikh, Rachel Vaden, Jeon Lee y Shuguang Wei del Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas; Trevor Clark, Kenji Kurita, Jake Haecki y Fausto Carnevale-Neto de la Universidad Simon Fraser; y Walter Bray, Aswad Khadilkar, Scott La y Akshar Lohith en UC Santa Cruz. Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud.