Ciągle poszukujemy nowych rozwiązań

Izabela Bimel, czasopismo Nauka i Biznes: Jak rozpoczęła się Pana kariera naukowa?

Dr hab. Jacek Jemielity, prof. UW, Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego: Jestem chemikiem. Po zrobieniu doktoratu na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego trafiłem do Zakładu Biofizyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki UW, do grupy prof. dr hab. Edwarda Darżynkiewicza. To miał być dla mnie okres przejściowy, ale spodobał mi się na tyle, że pozostałem w Zakładzie na dłużej. I zacząłem budować zespół oparty o młodych, bardzo zdolnych studentów. Jedną z pierwszych studentek w moim zespole była dr Joanna Kowalska, z którą współpracuję do dziś.  

I.B.: Na czym polegają badania terapeutyczne mRNA?

J.J: Dziś mamy znaczące osiągnięcia w badaniach terapeutycznego mRNA. Możemy wyróżnić dwie terapie, dostarczać informacje o terapeutykach w postaci DNA i w postaci mRNA. I należy podkreślić, iż mRNA ma przewagę, dlatego że jego zastosowanie nie wiąże się z modyfikacją genową. Po prostu  mRNA to przepis na białko, które nie integruje się z genomem. Najlepszym zastosowaniem są szczepionki przeciwnowotworowe, ale może być ono także wykorzystywane w kontekście terapeutycznym, np. w chorobach, w których przyczyną jest powstawanie zbyt małej ilości białka lub w dystrofinach mięśniowych. Metoda mRNA jest skuteczna do przeprogramowywania komórek macierzystych, które mają olbrzymi potencjał w medycynie regeneracyjnej. 

W ramach Laboratorium Chemii Bioorganicznej funkcjonującego w ramach dwóch jednostek Uniwersytetu Warszawskiego (Centrum Nowych Technologii oraz Wydziału Fizyki) pracujemy nad terapeutycznie ważnymi modyfikacjami mRNA. W skład zespołu wchodzi około 30 badaczy na różnym etapie kariery i o różnych specjalnościach, którzy współpracują z naukowcami z USA i z Niemiec oraz z firmami farmaceutycznymi. Badacze z Uniwersytetu Warszawskiego we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Stanowego w Luizjanie opatentowali i skomercjalizowali wynalazek grupy badaczy, pozwalający zwiększyć trwałość i wydajność mRNA. Rozwiązanie znajduje się obecnie w fazie badań klinicznych w jednym z koncernów, który wykupił licencję. Istotą wynalazku jest zbudowanie sztucznego fragmentu mRNA, który zastępuje jego naturalną strukturę znaną jako kap 7-metyloguanozynowy.

Nasze badania są kontynuowane i rozwijane. Zmierzają do znalezienia nowych, jeszcze użyteczniejszych analogów kapu, do opracowania technologii masowej produkcji terapeutycznego mRNA oraz do zrozumienia przebiegu procesów naturalnej syntezy białek. Kap 7-metyloguanozynowy znajduje się na jednym z końców mRNA, tzw. końcu 5’. W cytoplazmie struktura kapu rozpoznawana jest przez czynnik eIF4E inicjujący proces biosyntezy białek, czyli translacji. Ten etap decyduje o szybkości całej złożonej sekwencji zdarzeń, które kończą się wyprodukowaniem białka w komórce. Obecność kapu chroni też mRNA przed przedwczesną degradacją przez enzymy przecinające czyli nukleazy. Niestety, komórki posiadają naturalny mechanizm usuwania kapu przez tzw. enzymy degradacji kapu (decapping enzyme, np. Dcp1/Dcp2). Kilka lat temu odkryliśmy, że zastosowanie modyfikowanych analogów kapu może uodpornić koniec 5’ mRNA na degradację i pozwala zwiększyć wydajność translacji.

I.B.: Jakie osiągnięcia prezentują najnowsze prace zespołu? 

J.J: Najnowsze prace zespołu pokazują, że poszukiwania nowych analogów naturalnych kapów są bardzo obiecujące. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Nucleic Acids Research zaprezentowaliśmy nową klasę zmodyfikowanych kapów, które są udoskonaloną wersją tych znajdujących się obecnie w badaniach klinicznych. Modyfikacja polega na zamianie atomu tlenu atomem siarki w kilku pozycjach w szczególnym miejscu cząsteczki kapu zwanym mostkiem trój- lub czterofosforanowym. mRNA z tak zmodyfikowanym chemicznie kapem jest rekordowo efektywnie wiązane przez czynnik eIF4E w etapie limitującym szybkość biosyntezy białka. Jednocześnie ma ono wysoką odporność na odcinanie struktury kapu przez enzym Dcp1/Dcp2. Tak modyfikowane mRNA w warunkach komórkowych prowadzi do powstania znacznie większej ilości terapeutycznego białka, co wykazaliśmy w systemie modelowym, używanym w badaniach nad szczepionkami przeciwnowotworowymi. Cały czas dążymy do tego, by nasze zmodyfikowane mRNA pozwoliło na stosowanie mniejszych dawek terapeutyku u pacjenta. Zmniejszona dawka to zawsze zmniejszenie ryzyka wystąpienia ewentualnych skutków ubocznych.

Dla pacjentów bardzo ważna jest też dostępność leku. Tradycyjne enzymatyczne metody syntezy zmodyfikowanych kapów (i w efekcie terapeutycznego mRNA) są czasochłonne i bardzo mało wydajne. Gdy w 2010 r. musieliśmy przygotować pierwsze 4 gramy kapu potrzebnego do rozpoczęcia badań klinicznych, to zajęło nam to pół roku, a ta ilość wystarczała na leczenie zaledwie 12-13 pacjentów. Tymczasem potencjalne zapotrzebowanie można szacować jako kilogramy specyfiku rocznie. Dlatego badacze poszukują metod szybszej i tańszej produkcji.

Rozwijamy metodę efektywnej syntezy złożonych związków chemicznych z odpowiednio przygotowanych wcześniej półfabrykatów, czyli chemicznych klocków. Każdy klocek posiada w swojej strukturze przynajmniej jeden fragment, który – gdy napotka swój odpowiednik w innej cząsteczce – łączy się z nim w sposób niezwykle selektywny jako rezultat tzw. „click chemistry”. Badając możliwości zastosowania tej metody przy masowej produkcji zmodyfikowanych kapów otrzymaliśmy 36 nowych wariantów analogów. Wśród nich dwa nowe związki mają właściwości, których oczekiwaliśmy: po wprowadzeniu do mRNA „działają” równie dobrze co naturalny kap. Odkrycie to otwiera drogę do opracowywania nowych, chemicznych metod włączania kapu do mRNA, które będą konkurencyjne do drogich i czasochłonnych metod enzymatycznych. Praca zespołu ośmiu autorów informująca o tym odkryciu ukazała się w czasopiśmie Chemical Science.

Poszukiwania nowych, bardziej przydatnych analogów naturalnych kapów powoli wychodzą z fazy działania metodą prób i błędów. Staramy się zrozumieć jak – krok po kroku i w szczegółach – przebiegają interesujące ich procesy, co je warunkuje, jaka jest ich dynamika. Rozumiejąc na poziomie atomowym oddziaływania złożonych biomolekuł, można będzie je kontrolować poprzez świadome modyfikowanie elementów złożonego układu biologicznego takich jak mRNA.

Po raz pierwszy udało się nam zaprojektować i otrzymać związki, które naśladując koniec 5’ mRNA (kap), są zdolne do hamowania (inhibicji) aktywności enzymu Dcp1/Dcp2 odcinającego kap od mRNA, co decyduje o zniszczeniu mRNA. Nasz związek  wykorzystaliśmy do uchwycenia kluczowego etapu działania tego enzymu, jakim jest „schwytanie” kapu. W tym zakresie współpracujemy z Uniwersytetem Kalifornijskim w San Francisco – stosując metody rentgenostrukturalne, czyli wykonując coś w rodzaju zdjęcia – mogliśmy poznać strukturę samego złożonego kompleksu enzymatycznego odpowiedzialnego za odcięcie kapu, po raz pierwszy w kompleksie z analogiem kapu. Nasze wyniki wskazują, że podczas wiązania inhibitora, w kompleksie enzymatycznym zachodzą bardzo duże (globalne) zmiany strukturalne. Skład chemiczny złożonych cząsteczek pozostaje oczywiście niezmieniony, ale ich fragmenty istotnie zmieniają położenie względem siebie w stosunku do sytuacji, w której pozostają one nieaktywne. Wyniki zostały opublikowane w dwóch prestiżowych czasopismach naukowych: RNA (w styczniu) i Nature Structural and Molecular Biology. Dzięki nim naukowcy lepiej zrozumieją mechanizm procesu degradacji kapu (dekapingu). Jesteśmy przekonani, że pozwoli nam to zaprojektować jeszcze lepsze inhibitory procesu dekapingu mRNA. Będą one użyteczne nie tylko w dalszych badaniach nad procesami degradacji mRNA, ale spodziewamy się, że znajdą zastosowanie terapeutyczne m. in. w terapii wspomagającej szczepionki przeciwnowotworowe i w terapiach przeciwwirusowych. Badania te będziemy kontynuować w ramach projektu TEAM ufundowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

I.B.: Na czym polega unikalność prac badawczych zespołu?

J.J: Problemy, którymi się zajmujemy wymagają interdyscyplinarnego podejścia. To, co robimy obecnie jest unikalne. Mamy dostęp do bardzo dobrze wyposażonych laboratoriów badawczych, jednak wiele innych zespołów na świecie również posiada podobną aparaturę. Naszą przewagą jest jednak kapitał ludzki, który umożliwia połączenie ekspertyz z dziedziny (bio)fizyki, chemii, oraz biologii molekularnej i komórkowej. Prowadzenie badań na styku trzech różnych dziedzin i możliwość spojrzenia na ten sam problem badawczy z różnych perspektyw jest niezwykle stymulujące intelektualnie i skutkuje zupełnie nowymi pomysłami i rozwiązaniami, do których dużo trudniej byłoby dojść patrząc na problem tylko z jednej strony.

I.B.: Dziękuję za rozmowę i życzę sukcesów. 

Informacje dodatkowe:

Prof. Jacek Jemielity wraz z chemikami i biochemikami ze swojego zespołu oraz polskimi immunologami założył spin-off Uniwersytetu Warszawskiego ExploRNA Therapeutics. Spółka ma na celu wnoszenie na wyższy poziom technologiczny kolejnych wynalazków polskich ekspertów od modyfikacji RNA.

Prof. Jemielity opatentował swoje odkrycia w zakresie modyfikacji segmentu końca 5’ mRNA. Po opatentowaniu i opublikowaniu wyników naukowcy rozpoczęli współpracę z niemiecką firmą BionTech. Okazało się, że polskie rozwiązanie sprawdziło się w badaniach na zwierzętach, a potem w badaniach klinicznych na pacjentach. Tak stworzono tzw. szczepionki antynowotworowe. Mają one pobudzić układ odpornościowy pacjenta do walki z wieloma rodzajami raka.

„Szczepionka na raka” przechodzi zaawansowane etapy komercjalnych badań klinicznych. Obecnie polski zespół pracuje nad kolejnymi chemicznymi modyfikacjami mRNA i nad wizualizacją mRNA w komórkach i w żywych organizmach.

Prof. Jacek Jemielity: Chcemy spowodować żeby przy jak najmniejszej ilości mRNA powstawało jak najwięcej terapeutycznego białka. Czasem to białko ma uczyć niszczyć komórki, jak w przypadku nowotworów. Ale czasem ma ono być białkiem, którego komórkom brakuje – na przykład w chorobach neurologicznych i sercowo-naczyniowych. Są też podejścia, które mają na celu wykorzystanie mRNA w chorobach genetycznych, to wielki obszar badań.

Kolejne wynalazki jego zespołu są już w fazie uzyskiwania ochrony patentowej w różnych krajach świata.

Laureaci programu TEAM –  prof. Jacek Jemielity z Uniwersytetu Warszawskiego oraz prof. Jakub Gołąb z Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego – rozpoczęli  prace nad nowego typu szczepionką RNA skierowaną przeciw wirusowi COVID-19. Badania będą prowadzone w oparciu o unikalną technologię wytwarzania trwałych cząsteczek mRNA opracowaną przez prof. Jemielitego i jego zespół.