Logo após Jake Eaton ingressar no laboratório de Stuart Schreiber no Broad Institute of MIT e Harvard em 2015, o pesquisador de pós-doutorado ficou intrigado com algumas teorias selvagens debatidas por seus colegas. As teorias se centravam em uma pequena molécula estranha conhecida como ML210, que pode matar células ativando um processo celular denominado ferroptose. Vasanthi Viswanathan, um pós-doutorado no laboratório Schreiber, descobriram que a indução da ferroptose pode matar algumas células cancerosas resistentes aos medicamentos. Eaton, Viswanathan, e Schreiber acreditava que compreender como o ML210 desencadeia esse processo poderia desvendar segredos de como desenvolver medicamentos para o tratamento de cânceres resistentes às terapias existentes, ou evitar resistência em primeiro lugar.

Eaton e seus colegas sabiam que o composto ML210 induz ferroptose ao inibir GPX4, uma proteína que protege as células do estresse oxidativo. Eles especularam que isso aconteceu ao formar um tipo específico de ligação química, chamado de ligação covalente, com a proteína. O problema era a estrutura química do ML210 não mostrou maneiras óbvias de formar ligações covalentes, levando a algumas especulações rebuscadas por cientistas céticos sobre como ele foi capaz de ligar o GPX4.

"Nós nos perguntamos, 'É vinculativo GPX4 de uma maneira diferente? Está atuando em outros nós na via GPX4, ou fazendo algo totalmente novo? ', "disse Eaton." Era um verdadeiro mistério químico.

Agora, depois de anos de trabalho, cientistas do Broad Institute, em colaboração com cientistas da Bayer, resolveram esse enigma químico. Em um estudo em Nature Chemical Biology , eles mostram que ML210 se transforma dentro da célula em uma nova molécula, que se transforma em uma terceira molécula que então se liga covalentemente ao GPX4. O mecanismo que eles revelaram é extremamente incomum e demonstra uma maneira pouco apreciada que "pró-drogas" como o ML210 podem ser convertidos em moléculas capazes de se ligar covalentemente às proteínas alvo dentro das células.

No trabalho, os cientistas descrevem um novo conjunto de compostos que os cientistas podem usar para aprender mais sobre como as células sofrem ferroptose, um processo descoberto apenas uma década atrás. Além disso, as moléculas são pontos de partida para o desenvolvimento de compostos que podem inibir GPX4 e matar células cancerosas resistentes a medicamentos, não apenas em um prato, mas potencialmente também em modelos animais e até mesmo em pacientes.

"Eu me lembro de dizer, 'Receio que vou levar este mistério ML210 para o meu túmulo', "disse o co-autor sênior Schreiber, que é cofundador e membro do instituto principal da Broad e Morris Loeb Professor do Departamento de Química e Biologia Química da Universidade de Harvard. "Como descascar as muitas camadas de uma cebola, Jake revelou, passo a passo, a sequência fascinante de reações químicas que as células conferem ao ML210, que tem muito pouca precedência na química orgânica. Foi um trabalho brilhante de investigação molecular de Jake. "

Trabalho de detetive

A ferroptose foi descrita formalmente há quase uma década por Brent Stockwell, um ex-aluno do laboratório de Schreiber que agora é professor na Columbia University. Na ferroptose, as moléculas de lipídios na membrana celular são oxidadas, levando ao acúmulo de moléculas tóxicas chamadas peróxidos lipídicos, que eventualmente mata a célula. O GPX4 protege as células desse tipo de morte, convertendo peróxidos lipídicos em compostos não tóxicos.

Viswanathan, um transplante do laboratório Stockwell para o laboratório Schreiber, raciocinou que uma molécula que interrompe o GPX4 poderia ser a inspiração para um novo tipo de medicamento contra o câncer. Contudo, GPX4 é um alvo desafiador, porque é plano, A estrutura química sem características não tem um lugar óbvio ao qual as drogas possam se ligar.

Em 2010, um pequeno esforço de descoberta de moléculas chamado Rede de Centros de Produção de Sondas de Bibliotecas Moleculares, baseado em parte no Broad Institute, havia descoberto alguns compostos que se ligam ao GPX4 e induzem a ferroptose - dois deles pertencem a uma classe de moléculas conhecidas como cloroacetamidas, que se ligam covalentemente ao GPX4. Mas esses compostos não são bons candidatos para o desenvolvimento de drogas ou em estudos com animais porque são altamente reativos e irão interromper muitas outras proteínas, levando a efeitos colaterais indesejados. Também é improvável que persistam no corpo por tempo suficiente para se ligarem e bloquearem o GPX4.

Um terceiro composto da tela de 2010 foi ML210, um "composto outlier" que é quimicamente distinto das cloroacetamidas. Eaton e Viswanathan examinaram dados no ML210 do Portal de Resposta ao Câncer Therapeutics, um banco de dados desenvolvido por pesquisadores da Broad e patrocinado em parte pelo National Cancer Institute. A partir dos dados, parecia que ML210 estava agindo de forma semelhante às cloroacetamidas, formando uma ligação covalente com GPX4. O que deixou os pesquisadores perplexos foi que o ML210 não contém uma "ogiva covalente, "uma estrutura química chave que permitiria emparelhar com GPX4 desta forma.

Mistério de ligação

Para sondar como ML210 inibe GPX4, a equipe precisava de métodos melhores para estudar o GPX4 no laboratório. Com colegas da Bayer, eles desenvolveram um sistema para superexpressar a proteína em células de mamíferos e produziram ensaios para estudar como as moléculas interagem com ela.

"Uma das melhores coisas sobre esta colaboração setor-acadêmico em particular foi superar alguns dos problemas que enfrentamos nesta pesquisa, "disse Eaton." Não acho que teríamos superado esses desafios sozinhos. "

Os ensaios confirmaram que ML210 era, na verdade, inibir GPX4 por meio de ligação covalente, e que o fez com muito mais precisão do que as duas cloroacetamidas.

Essa dica levou Eaton a mais trabalho de detetive químico, que revelou que ML210 sofre algumas transformações químicas incomuns na célula para ganhar a capacidade de se ligar e inibir GPX4. O ML210 é primeiro transformado em um composto que a equipe apelidou de JKE-1674. A célula converte este composto em outra molécula incomum chamada JKE-1777, que é capaz de se ligar covalentemente ao GPX4.

Embora JKE-1777 seja instável fora da célula, JKE-1674 e compostos relacionados que a equipe sintetizou são estáveis ​​e seletivos para GPX4, e são mais adequados do que ML210 para uso em modelos animais ou talvez até mesmo em pacientes.

Máquinas sem precedentes

Em um artigo relacionado no Jornal da American Chemical Society , os pesquisadores descrevem outro conjunto de compostos conhecidos como diacilfuroxanos, que também inibem o GPX4 covalentemente. Embora esses compostos não sejam tão seletivos quanto ML210 ou JKE-1674 e sejam improváveis ​​de serem úteis terapeuticamente, o estudo complementar ajudou os cientistas a compreender as novas observações feitas no estudo ML210.

"Esses compostos são máquinas moleculares sem precedentes na história da biologia química, devido às características químicas incomuns de várias camadas que fundamentam sua especificidade, "disse o co-autor sênior Vasanthi Viswanathan, um associado de pós-doutorado no laboratório Schreiber.

Ainda há mais trabalho para determinar quais processos celulares guiam a transformação de ML210 em sua forma ativa, e se alguma das moléculas pode ser usada em modelos animais ou mesmo em humanos como compostos terapêuticos.

Se as moléculas ou variantes delas se mostrarem promissoras como novas terapêuticas, eles podem dar origem a uma nova classe de medicamentos que, um dia, ajudará a combater os tumores resistentes aos medicamentos.