Egy magyar kutatócsoport ötletéből vállalatok, folyóiratok, szimpóziumok fakadnak

Az egészségügy fejlődése jelentős mértékben függ az új és hatásosabb gyógyszerek megjelenésétől. A tapasztalatok szerint egy új gyógyszer kifejlesztéséhez átlagosan mintegy 10 ezer új vegyületet kell előállítani és megvizsgálni. Ezeket a nyolcvanas évekig igen fáradságos és költséges munkával, egyenként állították elő, és egyenként végezték el a hatásvizsgálatokat is.10 ezer vegyület pedig már olyan mennyiség, amely ipari szervezési módszerek bevezetését igényelné. Erre azonban a nyolcvanas évek előtt senki sem gondolt. Ezt a helyzetet változtatta meg alapvetően a kombinatorikus kémia, amelyet először a gyógyszeriparban alkalmaztak. A legalapvetőbb kombinatorikus módszer Magyarországon, az Eötvös Loránd Tudományegyetemen született, s egy szinte mindenki számára könnyen érthető ötleten alapul.

ÉPĺTŐELEMEK ÉS KONSTRUKCIÓK: AMINOSAVAK, PEPTIDEK, FEHÉRJÉK

Furka Árpád és kutatótársai az eredeti módszert peptidek előállítására fejlesztették ki, érdemes röviden megismerkednünk a peptidek és a fehérjék felépítésével. Az aminosavak a kisebb molekulák közé tartoznak, a peptidek és a fehérjék pedig ezekből épülnek fel. Húszféle fehérjealkotó aminosavat ismerünk. A peptidek csupán néhány, láncszerűen kapcsolódó aminosavat tartalmaznak, a fehérjék akár több százat.

1963-ban egy amerikai professzor, R. B. Merrifield új módszert publikált a peptidek szintézisére, amely a hagyományos, ún. oldatfázisú eljárásnál sokkal hatékonyabbnak bizonyult. Annak ellenére, hogy kezdetben a módszernek sok ellenzője volt, a szerző a szilárdfázisú szintézismódszer kidolgozásáért 1984-ben Nobel-díjat kapott.

A módszerben a szilárd hordozó finomszemcsés műanyag, amelynek 1 grammjában körülbelül 10 millió szemcse van. A szemcsék felületén és azok belsejében olyan atomcsoportok (ún. funkciós csoportok) vannak, amelyek lehetővé teszik, hogy a szemcsékhez aminosavakat vagy más vegyületeket kapcsolhassunk kémiai kötéssel. Az folyamat során külön lépésekben kapcsolják hozzá a szemcsés hordozóhoz az első, a második, majd a harmadik aminosavat. Ha a célkitűzés egy tripeptid szintézise volt, a záró lépésben lehasítják a hordozóról a kész peptidet. A szintézis természetesen úgy folytatható, hogy a lánchoz további aminosavakat kapcsolnak.

A szilárdfázisú módszer nagy előnye, hogy kapcsoláskor az aminosavakat és egyéb reagenseket nagy feleslegben lehet alkalmazni – és ezáltal teljesebb átalakulást lehet elérni –, mert ezeket a reakció végén egyszerű szűréssel el lehet távolítani. A lehasított peptid oldatát szintén szűréssel lehet megkapni, s az oldatból a peptid fárasztó tisztítási lépések mellőzésével, viszonylag tisztán különíthető el.

A VEGYÜLETEK HATÁRTALAN SZERKEZETI VÁLTOZATOSSÁGA

Persze ki lehet számolni a lehetséges peptidek számát, ahogy a fehérjékét is. A számítások szerint a lehetséges peptidek száma erősen emelkedik a bennük levő aminosavak számával. Két aminosavból 400, három aminosavból 8 ezer, négy aminosavból 160 ezer, öt aminosavból pedig 3 millió 200 ezer peptidet lehet levezetni. A hat aminosavas peptidek száma 64 milliónak, a hét aminosavasaké pedig 1 milliárd 280 milliónak adódott.

Ezek között a peptidek között bizonyára sok hasznos tulajdonságút lehetne találni. Feltehetően Furka professzor erdélyi, abrudbányai gyermekkorának emlékei is közrejátszottak abban, hogy ezekre a még nem létező peptidtárakra úgy tekintett, mint kitermelésre váró aranytelérekre. Milyen szép is lenne – gondolta ugyanis –; ha elő lehetne állítani mindenestől ezeket a peptidtárakat, majd a peptideket mindenfajta hasznosíthatóság szempontjából megvizsgálhatnánk, és kiválaszthatnánk közülük az értékeseket.

Laboratóriumukban akkoriban a peptidek előállítására még Furka Árpád és kollégái is a Merrifield-féle szilárdfázisú módszert használták, amellyel egyszerre egy peptidet állítottak elő, úgy, hogy naponta egy-egy aminosavval hosszabbították meg a láncot. Ilyen körülmények között a teljes peptidtárak előállításáról még álmodni sem lehetett. 1982 tavaszán aztán, egy pihenéssel töltött hétvégén Furka professzor arra ébredt, hogy megvan a tökéletes megoldás. Amikor az ötletet kollégáival megvalósították, bebizonyosodott, hogy valóban elő lehet több millió peptidet állítani néhány nap alatt. A módszer elterjedt az egész világon, és ma is számos laboratóriumban használják „split-mix” vagy „split and pool” szintézis néven.

A SPLIT-MIX KOMBINATORIKUS LÉPÉSEI

A split-mix, magyarul megosztásos-keveréses eljárás a Merrifield-féle szilárdfázisú szintézismódszer felhasználásán alapul, ám annak kapcsolási lépéseit három egyszerű művelettel helyettesíti. A szilárd hordozót annyi egyenlő adagra osztják, ahány aminosavból a peptidtárat fel akarják építeni – teljes peptidtár esetén tehát húszra. Minden adaghoz más-más aminosavat kapcsolnak. Kapcsolás után az adagokat egyesítik és alaposan összekeverik. Ezután addig ismételik a fenti műveleteket, míg a peptidek elérik a kívánt hosszúságot, majd a keletkezett peptideket lehasítják a hordozóról.

Az első kapcsolási lépésben három új anyag képződik: a három aminosav hordozóhoz kötött változata. A keverés és a hordozó szétosztása után mindhárom anyag jelen van mindhárom mintában. A második kapcsolási lépésben mindhárom anyag meghosszabbodik egy-egy aminosavval, és így a három mintában összesen 9 új anyag, azaz 9 dipeptid képződik. Ha még egy kapcsolási lépéssel megtoldják a szintézist, összesen 27 tripeptidhez jutnak. Ha egy negyedik kapcsolási lépést is végeznek, 81 tetrapeptid keletkezik.

A folyamat során keletkező 9 dipeptid mindazon aminosav-sorrendeket tartalmazza, amelyek a három kiindulási aminosavból levezethetők. Ugyanez vonatkozik a további két lépésre is. A megosztásos-keveréses módszernek az a jellegzetessége, hogy végrehajtása során minden lehetséges szerkezeti kombináció létrejön, akárhány kiindulási aminosavat használnak, akárhány kapcsolási lépést alkalmaznak, és kiindulási anyagként bármilyen más szerves vegyületet is vesznek. Valóságos kombinatorikus eljárásról van tehát szó, amelynek egyszerű végrehajtása minden trükk nélkül biztosítja az összes lehetséges szerkezeti variáns létrejöttét. Innen nyerte elnevezését a kombinatorikus kémia.

A műveleteket végző készülék egy légszivattyúhoz csatlakoztatott fémcső, amely rázógépre van szerelve. A csőhöz 21, szűrővel ellátott üvegcső csatlakozik. Ezekbe mérik be a hordozó gyanta oldószerrel elkevert egyenlő adagjait, majd mindegyik csövecskébe más-más aminosav oldatát és a kapcsolást előidéző kémiai reagenseket visznek be. A fémcsövet ferde állásba állítják, és megindítják a rázást. Az oldott kiindulási anyagok feleslegét szívatással eltávolítják, a szűrőn maradó gyantát többször átmossák, majd egy közös edénybe öntik, ahol alaposan összekeverik. Ezután jöhet a szintézis következő lépésének végrehajtása a fentebbi műveletek megismétlésével. Az amerikai Advanced ChemTech cég konstruált és jelenleg is forgalmaz egy programozható, számítógép-vezérléssel működő gépet, amely minden műveletet automatikusan végez el.

AZ ELJÁRÁS EGYSZERŰ, HATÉKONY ÉS PONTOS

Abban az időben, amikor a módszer elve született, az ismert szerves vegyületek száma, tehát azon vegyületek száma, amelyeket a szerves kémia egész előző története során előállítottak vagy leírtak, mintegy 10 millió volt. Az új módszerrel egyetlen hét alatt több vegyületet (mintegy 64 millió peptidet!) lehetett ennél előállítani. De miért?

A folyamatban az összekeverés és a porciózás után mindhárom adagban megjelenik mindhárom anyag. Ennek az a következménye, hogy a második kapcsolási lépésben mindegyik adagban 3 új anyag keletkezik (három hordozóhoz kötött dipeptid) annak ellenére, hogy mindegyik adagon csak egy kapcsolást hajtanak végre. A három adagban tehát összesen 9 dipeptid képződik. Ha a megosztást és a három aminosavval való kapcsolást még kétszer megismétlik, előbb 27 tripeptidhez, végül 81 tetrapeptidhez jutnak. Azaz, míg a megosztásos-keveréses szintézis során a befektetendő munka csupán lineárisan növekszik, addig a képződő vegyületek száma exponenciálisan nő a kapcsolási lépések számával.

Az, hogy egy tetszőlegesen kiválasztott szemcsén mely vegyület – azaz például milyen aminosav-sorrendű peptid – képződik, attól függ, hogy az egyes reakciólépéseket megelőző porciózások során a kérdéses szemcse véletlenszerűen mely adagokba került, és ezeket az adagokat mely aminosavakkal reagáltatták. A megosztásos-keveréses eljárásnak ez a jellegzetessége végeredményben azt jelenti, hogy az előállított vegyülettár komponensei a hordozóról történő lehasítás előtt nem keverékként, hanem egyedi vegyületekként vannak jelen. Tényleges keverék csak a hordozóról történő lehasítás során keletkezik. Az egy szemcse-egy vegyület sajátság messzemenően megkönnyíti a hatásos vegyület kiválasztását.

MEGTALÁLNI A TŰT A SZÉNAKAZALBAN

Már amikor a szintézis ötlete felmerült, akkor világos volt, hogy ki kell dolgozni egy olyan stratégiát is, amely lehetővé teszi, hogy a sok ezer vegyületből ki lehessen választani azt, amelyik valamely számunkra hasznos tulajdonságot hordoz.

Erre a feladatra a biológiailag aktív peptidek azonosításánál az ún. iterációs módszert alkalmazzák. Ennek során először kiszűrik az előállított peptidek közül a megfelelő aktivitást mutatókat, addig míg egyre kevesebb közül kell a kiválasztaniuk a legmegfelelőbbet. Végül a legnagyobb hatékonysággal rendelkező peptid marad hátra.

A módszerek másik nagy csoportja azt használja ki, hogy a szilárd hordozó szemcséin a szintézis során egyetlen vegyület képződik. A szintézis után a hordozóról nem hasítják le a mintegy 3 millió peptidet, hanem azokat a szemcsékhez kötött állapotban vizsgálják. A szemcséket egy tálkába viszik, és ráöntik a kiválasztott fehérje oldatát. A fehérjét előzetesen kék festék hozzákapcsolásával megszínezték. Megfelelő ideig tartó rázogatás után a fehérjeoldatot eltávolítják, és a szemcséket megmossák. A szemcsék túlnyomó része megtartja eredeti, enyhén sárga színét, de akad közöttük néhány kék színű is. Ez azt mutatja, hogy a szemcsén levő peptid megkötötte a kék színű fehérjét. A kék színű szemcséket egyenként kiemelik és meghatározzák a rajtuk levő peptidek aminosav-sorrendjét. Ezzel meg tudják állapítani, hogy mely aminosav-sorrendű peptidek képesek az adott fehérjéhez erősen kapcsolódni.

AZ ELJÁRÁS ROBBANÁSSZERŰEN TERJED

A megosztásos-keveréses eljárás közzététele után nyilvánvalóvá vált, hogy olyan technika került a vegyészek kezébe, amely szinte korlátlan számú új vegyület szintézisét teszi lehetővé. Ennek óriási hatása volt. Sok-sok új, elsősorban gyógyszerkutatással foglalkozó vállalatot alapítottak a technika hasznosítására, az óriáscégek pedig rendre kombinatorikus részlegeket hoztak létre sokmillió dolláros befektetésekkel. Különösen az Egyesült Államokban volt nagy a cégalapítási kedv. A kombinatorikus módszereket ma már Magyarországon is hasznosítják, például a gyógyszergyárakban.

A kombinatorikus kémia mára elismert önálló tudományággá vált, számos kombinatorikus tárgyú folyóirat jelenik meg, és a publikált könyvek mennyisége is igen jelentős. Megalakult a Kombinatorikus Tudományok Európai Társasága is, amelynek első szimpóziumát 2001-ben Budapesten rendezték meg.

A kombinatorikus kémia történetének csak a legelején tart, eddigi legfőbb eredménye – túl az igen jelentős gyakorlati következményeken – az a változás, amit a kutatók gondolkodásmódjában idézett elő. Ez a változás lassan kezd átszivárogni más tudományágakba is, például az anyagtudományokba és a biológiába.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.