Una nueva estrategia desarrollada por una colaboración internacional con participación del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) permite acelerar y reducir los costes de una de las etapas más complejas del descubrimiento de fármacos. El nuevo método integra en un único proceso técnicas de cristalografía de rayos X, herramientas computacionales, sistemas robóticos y técnicas biofísicas para diseñar y evaluar nuevas moléculas capaces de unirse a proteínas diana.
El potencial de este enfoque se ha demostrado con un experimento en el que, en solo tres meses, se diseñaron y sintetizaron más de 250 compuestos químicamente diversos a partir de fragmentos identificados mediante cristalografía de rayos X.
La estrategia permite utilizar inmediatamente la información obtenida en cada etapa para orientar el siguiente ciclo de diseño y experimentación, reduciendo así los procesos separados y repetitivos que habitualmente requiere el desarrollo de nuevas moléculas.
Cristalografía de rayos X para acelerar el diseño de nuevos fármacos
La nueva estrategia combina en un único flujo de trabajo la cristalografía de rayos X de alto rendimiento disponible en grandes sincrotrones, herramientas computacionales para seleccionar y conectar fragmentos, sistemas robóticos para generar nuevos compuestos y técnicas biofísicas y estructurales destinadas a comprobar su capacidad de unión a una proteína diana.
Esta integración permite aprovechar de forma inmediata la información estructural obtenida durante los experimentos. Así, los resultados de una fase pueden utilizarse para decidir qué moléculas diseñar y evaluar a continuación.
“Los resultados de esta investigación permiten abordar uno de los principales obstáculos del descubrimiento de fármacos basado en fragmentos: aprovechar eficientemente toda la información estructural contenida en los complejos entre las proteínas y los pequeños fragmentos, para guiar la creación del diseño basado en la estructura”, indica María José Sánchez-Barrena, investigadora del Instituto de Química Física Blas Cabrera (IQF) del CSIC.
“La cristalografía de rayos X puede revelar con gran precisión dónde se une un pequeño fragmento a una proteína, pero convertir esa información en moléculas más complejas y con actividad biológica requiere normalmente numerosos ciclos de diseño, síntesis y evaluación. La nueva estrategia conecta estos procesos, reduce el trabajo intensivo de diseño y síntesis, automatizando una parte importante de ellos, y genera moléculas de gran diversidad química con las que es posible llevar a cabo estudios de relación estructura-actividad”, explica Sánchez-Barrena.
Una proteína relacionada con trastornos neurológicos como prueba de la estrategia
El nuevo método se ha aplicado a una proteína implicada en la regulación de procesos esenciales del sistema nervioso central y asociada a diferentes trastornos neurológicos: el Sensor Neuronal de Calcio 1 (NCS-1).
Esta proteína presenta una superficie de interacción especialmente compleja y puede reconocer diferentes proteínas diana implicadas en procesos neuronales y patologías. Esta característica convierte a NCS-1 en una diana farmacológica exigente para el desarrollo de moléculas capaces de modular de forma selectiva las interacciones entre proteínas.
La aplicación de la nueva estrategia ha permitido encontrar moléculas candidatas capaces de modular la interacción de NCS-1 con receptores neuronales implicados en neurodegeneración.
Entre los resultados destaca la identificación de un candidato para el restablecimiento de la actividad neuronal en la enfermedad de Alzheimer.
Más de 250 compuestos diseñados y sintetizados en tres meses
El nuevo enfoque se ha desarrollado en Reino Unido, por un equipo multidisciplinar liderado por el investigador de la Universidad de Oxford, Frank von Delft. En este trabajo también ha participado Daniel Muñoz Reyes, primer autor del estudio, quien realizó una estancia predoctoral en estas instalaciones gracias al programa iMOVE del CSIC.
Durante un único ciclo experimental, el equipo consiguió diseñar y sintetizar más de 250 compuestos químicamente diversos en tan solo tres meses. Para ello partió de un amplio conjunto de fragmentos previamente identificados mediante cristalografía.
Los compuestos se generaron mediante síntesis robótica de bajo coste y se evaluaron rápidamente, incluso directamente a partir de las mezclas de reacción. De esta forma, se redujo la necesidad de purificar individualmente cada molécula antes de comprobar si podía unirse a la proteína.
El procedimiento permitió explorar rápidamente regiones del espacio químico que resultarían difíciles de abordar mediante métodos convencionales. Además de determinar qué moléculas podían unirse a la proteína, los investigadores pudieron establecer cómo se producía la unión y qué regiones concretas de la proteína podían utilizarse para modificar su función.
Un método que conecta diseño, síntesis y evaluación de moléculas
Los resultados muestran que la combinación de cristalografía de rayos X de alto rendimiento, herramientas computacionales, química automatizada y análisis biofísico puede transformar la información estructural obtenida de una proteína en una herramienta directa para descubrir nuevas moléculas.
En lugar de avanzar mediante ciclos independientes y prolongados de diseño, síntesis y caracterización, la nueva estrategia conecta las diferentes fases para que los datos experimentales orienten continuamente el siguiente paso.
El método también puede adaptarse a diferentes proteínas y proyectos de descubrimiento de fármacos. Su carácter modular y escalable permite ajustar el flujo de trabajo a distintas dianas y ampliar la búsqueda de moléculas más allá de las colecciones químicas disponibles comercialmente.
De este modo, la estrategia abre una vía para acelerar el proceso que va desde la identificación de una primera interacción molecular hasta la obtención de nuevas series de compuestos susceptibles de ser optimizadas como potenciales candidatos a fármaco.
