Finansowanie ERBN umożliwiło zespołowi Politechniki Mediolańskiej zbadanie zachowania wiązań halogenowych w naturze. Dokonane przez nich odkrycia rzucają nowe światło na potencjalne możliwości wykorzystania tych interakcji w manipulacji zjawiskami rozpoznania molekularnego w chemii i biologii. Mogą też pomóc diagnozować różne schorzenia, takie jak mukowiscydoza czy choroba Parkinsona.
Wiązanie halogenowe powstaje wskutek dość złożonego zbioru interakcji między elektrofilowym regionem atomu fluorowca w jednej cząsteczce i nukleofilowym regionem w innej. Choć dla laików może to brzmieć abstrakcyjnie, jest to naprawdę bardzo ważne narzędzie w rękach chemików próbujących poskładać cząsteczki.
W porównaniu z innymi, bardziej znanymi oddziaływaniami niekowalencyjnymi, przewagą wiązań halogenowych jest ich kierunkowość i hydrofobowość oraz to, że siła oddziaływania może zostać dostrojona jedynie poprzez zmianę charakteru atomu fluorowca bez zmieniania pozostałej struktury. Wiązania halogenowe przykuwają w ostatnim czasie coraz więcej uwagi z jeszcze jednego powodu. Mianowicie: nadal drzemie w nich niewykorzystany potencjał, a wiele ich cech pozostaje niezbadanych.
„Moim zdaniem największa luka w wiedzy z tego zakresu wynika z niepełnego zrozumienia biologicznej roli wiązań halogenowych w naturze. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że wiązania halogenowe w naturze nie występują często, szczególnie w porównaniu z wszechobecnym wiązaniem wodorowym, jednak to nie jest do końca prawda. Natura wybrała wiązania halogenowe do kontrolowania jednego z najbardziej złożonych układów regulacyjnych w naszym organizmie: hormonów tarczycy”, mówi Pierangelo Metrangolo, profesor chemii na Politechnice Mediolańskiej.
Przyjrzyjmy się tarczycy nieco bliżej: wydziela ona głównie tyroksynę (T4), hormon przechodzący bezpośrednio do krwiobiegu i odgrywający ważne role w procesach trawienia, pracy serca i mięśni, rozwoju mózgu i procesach związanych z metabolizmem kości. Wyjściowo T4 ma w strukturze cztery atomy jodu, a usunięcie jednego z nich aktywuje cząsteczkę: wiązanie halogenowe, które zostaje usunięte przekształca T4 w T3 – aktywną postać tego hormonu. T3 zostaje dezaktywowane w toku przekształcenia do T2, które z kolei samoistnie przekształca się do T0, cząsteczkę, której zadaniem jest odzyskiwanie atomów jodu na potrzeby przekształcania T3 do T4.
„To niesamowite, jak bardzo złożone są procesy naturalne i w jaki sposób wiązania halogenowe były przez naturę wykorzystywane jeszcze zanim odkryli je chemicy”, mówi prof. Metrangolo. Dokładnie tego dotyczył grant ERBN: badania właściwości atomów fluorowców i możliwości ich wykorzystania jako miejsc „przyczepu” dla innych cząsteczek. Prof. Metrangolo miał nadzieję, że projekt FoldHalo częściowo załata tę lukę w aktualnym stanie wiedzy.
„Choć wiele modyfikacji sekwencji peptydowych jest wykorzystywanych na potrzeby dostrojenia procesu ich samoorganizacji, wykorzystanie do tego celu procesu halogenowania było do tej pory rzadko badane. Jednak fakt, że fluorowce rzadko występują w cząsteczkach biologicznych, oznacza, że ich zależne od miejsca wbudowywanie do struktur aminokwasów, oligopeptydów czy białek może wskazywać na wysoki stopień specyficzności i kontroli tego procesu. Co więcej, halogenowanie polega na minimalnej modyfikacji struktury, która może się przełożyć na duże różnice w supramolekularnym zachowaniu białek”, wyjaśnia prof. Metrangolo.
Dzięki projektowi FoldHalo, prof. Metrangolo ze swoim zespołem mogli jako pierwsi wykazać, że halogenowanie silnie wpływa na proces samoorganizacji białek zarówno pod postacią roztworu, jak i ciała stałego. Zastosowali oni nową supramolekularną koncepcję w nasilonym procesie fibrylacji peptydów amyloidogennych, takich jak DFNKF, KLVFF czy hCT (ludzka kalcytonina) i udało im się zsyntetyzować nowy, nie występujący w naturze aminokwas: p-jodo-tetrafluoro-fenylo-(L)-alaninę. Proces ten przeniesiono do większej skali, umożliwiając pozyskanie do 5 g tego związku, i jest on obecnie dostępny na potrzeby wprowadzania nowych właściwości związanych z funkcjami i procesem samoorganizacji konstruktów peptydowych.
„Jesteśmy przekonani, że udało nam się stworzyć zupełnie nową strategię w dziedzinie nienaturalnych modyfikacji aminokwasów i peptydów, która znajdzie wiele zastosowań w różnych obszarach, od molekularnych podstaw chorób po funkcjonalne nanostruktury peptydowe”, mówi z entuzjazmem prof. Metrangolo.
Takie halogenowane aminokwasy mogą pełnić funkcję biomarkerów dla różnych chorób związanych ze stresem oksydacyjnym, takich jak mukowiscydoza, miażdżyca tętnic, sepsa, astma czy choroba Parkinsona. Przeprowadzone przez zespół badania sugerują nawet, że wywołane stresem oksydacyjnym halogenowanie białek może jeszcze bardziej nasilić proces fibrylacji obserwowany w różnych jednostkach chorobowych, takich jak choroba Parkinsona czy choroba Alzheimera.
Prof. Metrangolo mówi, że projekt FoldHalo otwiera różnym dziedzinom badawczym drzwi do wielu nowych możliwości. Zespół projektu FoldHalo korzysta obecnie ze zgromadzonej przez siebie wiedzy na potrzeby kolejnego projektu o nazwie MINIRES, który bada reguły rządzące procesem halogenowania biorącym udział w kontrolowaniu układów lotu i skoku u owadów. Zespół chce także w oparciu o stworzone w ramach projektu FoldHalo przeciwciała środowiskowe, opracować nowe czujniki dla fluorowców stanowiących zanieczyszczenie.
Źródło: Projekt FoldHalo, EU, CORDIS
