Aineiden peilikuvista uusia lääkkeitä
Monilla lääkemolekyyleillä on käänteinen kaksonen, josta voi pahimmassa tapauksessa koitua vakavia ongelmia. Tutkijat etsivät näistä käänteisrakenteista hoitomahdollisuuksia parantavia lääkinnällisiä erikoisominaisuuksia.
Vuonna 1959 fyysisesti vammaisena syntyvien lasten määrä alkoi nopeasti kasvaa. Kahden seuraavan vuoden aikana 46 maassa syntyi yli 10 000 epämuodostunutta vauvaa.
Pian ymmärrettiin, mistä sikiövauriot olivat johtuneet. Kaikkien äitien raskauspahoinvointia oli hoidettu talidomidilla. Lääkeaineen käytöstä luovuttiin kiireen vilkkaa. Vasta vuosia myöhemmin päästiin jyvälle siitä, mikä talidomidikatastrofin oli aiheuttanut.
Pahoinvointilääke sisälsi kahdenlaista talidomidia. Muodot olivat toistensa peilikuvia.
Toinen muoto toimi niin kuin sen pitikin ilman vakavia haittoja. Toinen sen sijaan vaikutti haitallisesti sikiöön ja häiritsi vakavasti sen normaalia kehitystä.
Sittemmin on saatu selville, että monilla lääkeaineilla on käänteinen kaksonen, jolla voi olla myös hyödyllisiä lääkinnällisiä erikoisominaisuuksia. Siksi ne kiinnostavat entistä turvallisempien ja tehokkaampien lääkkeiden kehittäjiä.
Monille raskauspahoinvointia talidomidilla hoitaneille äideille syntyi epämuodostunut lapsi. Selitys löytyi vaikuttavan aineen käänteisestä muodosta.
Osa tutkijoista tähtää kuitenkin vielä pitemmälle: he pyrkivät luomaan uusia eliöitä, jotka ovat kauttaaltaan meidän tuntemamme elämän peilikuvia.
Entsyymejä käännetään
Esimerkiksi ihmisen kädet ovat toistensa peilikuvia. Vastaavasti on olemassa toistensa käänteisinä muotoina esiintyviä aineita. Muotojen kemiallinen kaava on yksi ja sama, mutta niitä erottaa se, että toisessa molekyylissä atomi osoittaa oikealle, toisessa taas vasemmalle.
Tavallisilla kemiallisilla valmistusmenetelmillä ei ole mahdollista tuottaa vain molekyylin yhtä muotoa. Kun ainetta käytetään lääkkeenä, pitää kiinnittää huomiota siihen, että eri muodot voivat vaikuttaa eri tavalla – niin kuin talidomidin tapauksessa.
Toinen edustava esimerkki on nukutusaine ketamiini, jonka toinen muoto vaikuttaa lääkinnällisesti toivotulla tavalla mutta jonka peilikuva aiheuttaa sellaisia haittoja kuin harhaisuutta ja levottomuutta.
Molekyylit ovat toistensa heijastuksia
Monista biokemiallisista molekyyleistä on olemassa kaksi eri versiota. Ne ovat ihmisen käsien tapaan toistensa peilikuvia, jotka eivät kuitenkaan sovi toisiinsa aivan täydellisesti, käännettiinpä ja väännettiinpä niitä sitten kuinka paljon tahansa.
Kuvan kaksi ylintä molekyyliä ovat toistensa peilikuvia, koska punainen ja vihreä atomi sijaitsevat vastakkaisella puolella – samaan tapaan väärin päin kuin oikean ja vasemman käden peukalot ja pikkurillit.
Luonnossa aineet esiintyvät enimmäkseen yhdenlaisina, eli peilikuvamuodot ovat harvinaisia. Biologisissa prosesseissa molekyylien muoto on avainasemassa, sillä eri osien pitää vastata toisiaan, jotta esimerkiksi entsyymi voi toimia.
Kuvassa molekyylin oikealle osoittava muoto (vasemmalla) sopii entsyymiin, kun taas toinen käänteinen muoto, jossa on vihreä atomi, ei sovi siihen.
Muiden aineiden molemmat muodot voivat vaikuttaa edullisesti. Esimerkiksi opioideihin kuuluvan propoksifeenin toinen versio lievittää kipua, toinen taas yskää. Tämä ero havainnollistaa peilikuvamolekyyleissä piilevää suurta lääkinnällistä potentiaalia.
Valtaosa kehon biokemiallisista reaktioista on täysin riippuvaisia molekyylien kolmiulotteisesta muodosta. Ne ovat nimittäin entsymaattisia, ja molekyylien pitää olla tietynmuotoisia, jotta entsyymit voivat tarttua niihin.
Siksi molekyylien käänteiset muodot voivat toimia aivan omalla tavallaan elimistössä.
54 eri proteiinia ja kolme pitkää rna-rihmaa muodostavat ribosomin, jota tutkijat kääntävät peilikuvakseen.
Kun aineen kemiallisessa valmistuksessa syntyy aina myös käänteistä muotoa, elimistön entsyymit tuottavat vain yhtä.
Entsyymien käyttäminen lääkkeitä valmistavina ”koneina” on kiehtova tutkimuskohde, sillä niiden ansiosta olisi mahdollista valita, kumpaa aineen versiota tuotetaan.
Jotta entsyymi valmistaisi sitä aineen muotoa, jota se ei luonnollisesti tuota, se pitäisi kääntää peilikuvakseen.
Tähän haasteeseen on tarttunut Hangzhoussa Kiinassa toimivan yksityisen Wastlake-yliopiston biologi Ting Zhu. Hänen tavoitteenaan on kehittää yleispätevä entsyymienkääntömenetelmä.
Entsyymit ovat proteiineja, joita valmistavat ribosomeiksi kutsutut soluelimet.
Geenit sisältävät eri proteiinien valmistusohjeet. Kun proteiinin valmistus alkaa, dna kääntyy ensin rna:ksi, jonka pohjalta ribosomi sitten rakentaa proteiinin.
Ribosomi osaa tuottaa proteiinin (pystysuora rihma) lukemalla rna:ksi (vaakasuora rihma) käännetyn valmistusohjeen. Rna:sta ja ribosomista yritetään tehdä peilikuvia uudenlaisten lääkkeiden luomiseksi.
Ting Zhun tarkoituksena on rakentaa ribosomin peilikuva ja ruokkia sitä käänteisillä rna-ohjeilla, jotta syntyy käänteisentsyymejä, jotka voivat saada aikaan käänteismolekyylejä.
Peilikuvaeliö noudattaisi erikoisruokavaliota
Tutkimushanke on erittäin kunnianhimoinen, sillä ribosomit ovat hyvin monimutkaisia soluelimiä, jotka koostuvat 54:stä eri proteiinista ja kolmesta toisiinsa kietoutuneesta pitkästä rna-rihmasta.
Vuoden 2022 lopulla kiinalaistutkija sivuutti ensimmäisen merkkipaalun, kun hän onnistui valmistamaan käänteisinä ne kolme rna-molekyyliä, joiden osuus koko ribosomista on noin kaksi kolmasosaa.
Tuleva käänteisproteiinitehdas ei ainoastaan kykene luomaan entsyymien peilikuvia, jotka pystyvät tuottamaan uusia, käänteisiä lääkeaineita, vaan se osaa myös valmistaa muiden proteiinien, kuten vasta-aineiden ja hormonien, käänteismuotoja esimerkiksi käytettäväksi lääkintätarkoituksiin.
Tehon lisäksi käänteislääkkeillä on toinenkin potentiaalinen etu. Peilikuvamuodot voivat nimittäin vaikuttaa kauemmin elimistössä, sillä maksan entsyymien on vaikeampi hajottaa niitä.
Käänteislääke huijaa elimistöä
1. Ohje käännetään peilikuvaksi
Käänteislääkkeen valmistaminen alkaa geeniksi kutsutussa dna-jaksossa olevan proteiinin valmistusohjeen rna-muodosta. Molekyyli on pitkä ketju. Se koostuu emäksistä, jotka ovat käänteisiä normaaliin versioon verrattuna.
2. Solu kokoaa käänteisproteiineja
Ribosomit ovat pieniä soluelimiä, jotka rakentavat proteiineja rna-rihman sisältämän valmistusohjeen mukaan. Kun koko ribosomi käännetään peilikuvaksi, se osaa lukea käänteisen ohjeen ja valmistaa käänteisen proteiinin sen mukaan.
3. Entsyymit eivät pysty pilkkomaan
Elimistön hajottavat entsyymit tunnistavat tavalliset proteiinit näiden rakenteesta. Siksi proteiinit pilkkoutuvat entsymaattisesti. Käänteisproteiinit eivät sovi muodoltaan entsyymeihin ja kestävät siksi pitempään kehossa.
Yhdysvaltalaisessa Harvardin yliopistossa keinotekoista elämää tutkiva perinnöllisyystieteilijä George Church katsoo käänteislääkkeitä kauemmaksi. Hänen tulevaisuudenvisioonsa kuuluvat kokonaiset eliöt, joiden kaikki molekyylit ovat nykyään tunnettujen elämänmuotojen peilikuvia.
George Church myöntää, ettei hän osaa edes kuvitella, kuinka tällainen tekoeliö toimisi tässä maailmassa.
Tekoeliö tuskin voisi tyydyttää ravinnontarvettaan syömällä luonnollisia eläimiä tai kasveja, sillä niiden molekyylit olisivat sen omien molekyylien peilikuvia. Siksi ravinto ei sulaisi eikä imeytyisi. Peilikuvaeliö olisi joka tapauksessa suojassa virus- ja bakteeritartunnoilta, sillä nykyisenlaisina mikrobit eivät pystyisi hyökkäämään sen käänteisten molekyylien kimppuun.
Tutkijoiden mieltä kiehtoville käänteiseliöille voidaan kuvitella tärkeä tehtävä: niiden avulla saattaa olla mahdollista tuottaa käänteislääkkeitä, joilla on fantastisia erikoisominaisuuksia.