«Каталитические антитела»: перспективы использования в органическом синтезе

Благодаря разработке огромного количества методов создания углеродного скелета и его направленной функционализации в настоящее время при необходимости можно получать органические соединения практически любой степени сложности. Обычно синтез соединений сложной структуры осуществляют в несколько стадий. При этом решающим фактором, определяющим успех, является эффективность и однозначность каждой стадии. Эффективность реакции определяется ее скоростью и выходом продукта, а однозначность — ее региои стереоспецифичностью. Это позволяет получить максимально чистое вещество и избежать сложной процедуры выделения и очистки. По мере развития тонкого органического синтеза и получения все более сложных структур требования к эффективности и специфичности реакции непрерывно возрастают. При этом использование в многостадийных синтезах чисто химических методов нередко оказывается недостаточным. В последнее время для создания углеродного скелета соединений и его функционализации на отдельных стадиях синтеза все чаще стали применять ферментативные реакции.

Использование ферментов часто позволяет проводить реакцию быстрее и, благодаря их высокой региои, особенно, стереоселективности, чище. Поэтому методы ферментативного и химико-ферментативного синтеза быстро внедряются в практику тонкого органического синтеза. Препятствием для широкого использования биосинтетических методов часто является малая доступность природных ферментов нужной активности и специфичности. Это требует дополнительной трудоемкой работы по поиску подходящего и доступного источника фермента, разработке методов его выделения и очистки и детальному исследованию его специфичности. Поэтому в настоящее время в лабораторной и промышленной практике используется довольно ограниченный круг природных ферментов, катализирующих ограниченный круг химических превращений.

Давней мечтой химиков-органиков является получение искусственных ферментов с высокой эффективностью и, главное, с заданной избирательностью действия. Такие ферменты должны изготовляться в лаборатории и направленно использоваться для осуществления нужной реакции. Подобные искусственные ферменты заданной специфичности («tailor-made enzymes») позволили бы сильно повысить эффективность органического синтеза и открыли бы пути к получению новых классов органических соединений.

Природные ферменты являются высокомолекулярными белками с однозначной структурой. Их каталитическая активность и избирательность действия заданы строго определенной последовательностью аминокислот белковой цепи. Это, в свою очередь, предопределяет конформацию белковой молекулы и, в конечном счете, формирование пространственной структуры активного центра фермента.

Казалось бы, что наиболее простым путем получения искусственного фермента является его прямой синтез. Hо несмотря на общеизвестные успехи в синтетической химии белков, этот путь представляется малоэффективным не только из-за своей трудоемкости, но и потому, что требует информации о первичной структуре целевого белка-фермента. Однако определение аминокислотной последовательности само по себе является сложным и трудоемким исследованием.

Решением проблемы явился иной подход к получении искусственных ферментов с заданной специфичностью. Он основан на биосинтезе с использованием мощного иммунологического аппарата клетки, который отличается способностью синтезировать огромное разнообразие белковых молекул.

Как известно, иммунная система животных служит для биосинтеза антител — защитных белков, предназначенных для «нейтрализации» попавших в организм чужеродных молекул и более сложных комплексов, так называемых антигенов. Иммунная система создает белковую молекулу антитела, структура которого соотносится со структурой антигена таким образом, что активный центр антитела оказывается комплементарным специфической части антигена, так называемого гаптена. Антитело образует с антигеном достаточно прочный комплекс и тем самым «нейтрализует» его действие. Иными словами, биосинтетический аппарат иммунной системы делает возможным получение белковой молекулы, в которой формируется активный центр, структура и пространственное строение которого задаются структурой вводимого в организм антигена. Этот принцип и был использован для получения искусственных ферментов.

Согласно современным представлениям, каталитическое действие природного фермента заключается, в первую очередь, в облегчении перехода субстрата реакции из основного состояния в возбужденное переходное состояние. Последнее стабилизируясь в активном центре фермента, превращается далее в продукт или продукты реакции. Таким образом, для проявления каталитической активности в белковой молекуле должен, прежде всего, сформироваться активный центр, способный облегчить формирование и стабилизацию переходного состояния субстрата. Следовательно, при биосинтезе в иммунном аппарате антитела, обладающего каталитическими свойствами, нужно использовать антиген, строение которого моделирует переходное состояние, возникающее в каталитической реакции. Получить стабильную молекулу соответствующую переходному состоянию, невозможно, так как оно представляет собой неустойчивый комплекс. Поэтому в качестве антигенов, генерирующих каталитически активные антитела, были использованы соединения, молекулы которых по своей пространственной и электронной структуре имитировали переходное состояние. Будучи введенными в клетки иммунной системы, такие антигены: должны генерировать антитела, стабилизирующие переходное состояние соответствующей реакции и, следовательно, обладающие каталитическими свойствами подобно природным ферментам.

Хотя эта идея была высказана довольно давно, ее реализация вначале столкнулась с трудностями, так как в ответ на введение антигена клетки иммунной системы синтезируют большое количество антител («поликлональные антитела»). Трудности, возникающие при выделении из полученной сложной смеси близких по структуре белков антитела, обладающего наибольшей каталитической активностью и избирательностью, делали этот метод непригодным для практического использования.

Положение коренным образом изменилось, когда был открыт и детально разработан метод получения так называемых «моноклональных антител», количество которых и разнообразие более ограничено. В этом случае действительно удалось выделить антитела, обладающие каталитическими свойствами.

Таким путем около 10 лет назад были синтезированы первые антитела, получившие название «каталитических антител» (КА) или «абзимов» (сокращение английского «antibody enzymes»). С тех пор эта область стремительно развивается. В настоящее время получено уже около сотни КА, способных ускорять и специфически направлять реакции самого различного типа, и сформулированы основные принципы, используемые при генерации КА заданной специфичности. Все КА были подвергнуты тщательному исследованию методами ферментативной кинетики. Их физико-химические характеристики оказались сходными с характеристиками природных ферментов.

В некоторых случаях активность КА приближалась к активности природных ферментов. Полученные КА обладали, как правило, высокой специфичностью, в том числе стереоселективностью, которая могла быть заранее задана. Кроме того, были получены КА, катализирующие реакции, для которых вообще неизвестны природные ферменты (например, для реакции ДильсаАльдера). Но наиболее важно и перспективно для синтетической химии то, что удалось получить КА, позволяющие изменить направление известной реакции и направить ее по пути, запрещенному энергетически или стерически в обычных некатализируемых условиях, иными словами, изменить хемо-, региои стереоспецифичность реакции и реализовать превращения, недоступные для обычных химических методов.

Известны попытки использования «каталитических антител» в практической медицине, например в качестве препаратов, купирующих действие некоторых токсинов, наркотиков и т. д. Перспективным представляется также применение их при создании лекарственных препаратов — предшественников («prodrugs»).

Таким образом, «каталитические антитела» представляют собой новое поколение биокатализаторов белковой природы, а их получение знаменует значительный шаг вперед в теоретическом и практическом аспектах науки о биокатализе.

В этой связи возникает вопрос о получении КА в укрупненных масштабах. Первые разработки, касающиеся получения крупных партий КА и их использования для синтеза веществ в граммовых количествах, включая и создание лабораторной установки для этой цели, работающей в полуавтоматическом режиме, уже известны. В настоящее время каких-то принципиальных затруднений для использования КА в препаративном синтезе не просматривается. При современном уровне развития биотехнологии и белковой инженерии получение значительных количеств высокоочищенных «каталитических антител» не вызывает серьезных проблем. Разумеется, их практическое использование в укрупненных лабораторных и технологических масштабах потребует еще решения ряда вопросов и инженерных разработок. Один из вопросов касается наиболее рациональной формы их использования — в растворах, в двухфазной системе, иммобилизованными на носителе, в условиях мицеллярного катализа и т. д. Многие из этих проблем возникали при использовании природных ферментов, но были успешно решены. Это облегчает их решение в случае «каталитических антител».

Что касается экономического аспекта, то несмотря на трудоемкость и дороговизну процесса получения таких биокатализаторов, эффект от их использования, например в асимметрическом синтезе, может полностью окупить эти затраты. Тем не менее, вопрос об их использовании в крупнотоннажных процессах представляется пока преждевременным.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ «КАТАЛИТИЧЕСКИХ АНТИТЕЛ».

Принцип действия каталитических антител, как и обычных ферментов, состоит в облегчении формирования переходного состояния молекулы субстрата и создании благоприятных условий для его превращения в конечные продукты реакции. При этом барьер на энергетической координате реакции, возникающий при формировании переходного состояния, снижается, и скорость реакции возрастает. Эторезультат нескольких различных по природе взаимодействий, протекающих на активном центре фермента. Полость активного центра комплементарна пространственной структуре субстрата. На поверхности центра расположены активные группировки, стимулирующие соответствующие превращения молекулы субстрата. Пространственная и электронная комплементарность активного центра и субстрата способствуют «узнаванию» субстрата ферментом и образованию фермент — субстратного комплекса, а активные группировки обеспечивают переход молекул субстрата в продукты реакции посредством кислотно-основного катализа, нуклеофильных или электрофильных взаимодействий и т. п.

При образовании фермент-субстратного комплекса подвижность молекулы субстрата ограничивается и она «замораживается» в наиболее благоприятной для дальнейшего превращения конформации. Таким образом, достигается существенный выигрыш энергии и создается так называемая «энтропийная ловушка». Такой каталитический эффект особенно существен для бимолекулярных реакций, когда обе реагирующие молекулы фиксируются в выгодном для реакции взаимном положении. Существенную роль в проявлении каталитического эффекта играют и другие факторы, например, наличие в активном центре гидрофобных зон, облегчающих превращения субстрата в неполярной апротонной («неводной») среде.

Чтобы получить эффективное каталитическое антитело, необходимо наделить его активный центр свойствами, характерными для активного центра фермента (см. выше), и тем самым сделать возможным проявление каталитического действия. Этой цели служит антиген, в ответ на введение которого в процессе биосинтеза белковой молекулы в иммунном аппарате происходит формирование активного центра нужной структуры.

Антиген, используемый для получения КА, состоит из двух основных частей: низкомолекулярного гаптена и высокомолекулярного носителя (доступного природного белка). Гаптен является именно тем фрагментом молекулы антигена, который непосредственно формирует активный центр КА. По своему пространственному и электронному строению он должен соответствовать переходному состоянию, возникающему в процессе реакции, и обеспечивать появление у активного центра активных групп, гидрофобных зон и т. п.

Белковая же часть антигена (так называемый «иммуноген») представляет собой высокомолекулярный носитель, обеспечивающий генерацию в иммунном аппарате антител. В качестве белковой части антигена чаще всего используют доступные природные белкигемоцианин моллюска Mega-tura crenulata (Keyhole Limpet Hemocyanin, KLH) или бычий сывороточный альбумин (BSA).

Правильный выбор гаптена является ключевым моментом, который и обеспечивает успех при получении КА. Естественно, что для правильного дизайна гаптена следует знать структуру переходного состояния, пути его возникновения и последующего распада. По сути дела — знать механизм реакции. В настоящее время удалось получить КА, катализирующие протекание многих реакций, различающихся своими механизмами. Однако дать общие рекомендации по дизайну гаптена, естественно, невозможно. Ниже для каждой конкретной реакции будут приведены соображения, послужившие основанием для выбора структуры гаптена.

Порою, при недостатке точных знаний о механизме реакции, подбор гаптена носит полуэмпирический характер. В этом случае большое значение имеет опыт, и даже интуиция исследователя. Так, на начальных этапах значительную роль сыграло несколько упрощенное представление о соответствии пространственного и электронного строения гаптена структуре переходного состояния. Этого оказалось достаточно для получения первых эффективных КА. Примером может служить моделирование переходного состояния, возникающего при гидролизе сложноэфирной группировки, группировкой фосфорной или фосфоновой кислоты.

Гаптен, наряду с главной «реакционной частью», формирующей активный центр КА, должен содержать также фрагменты, обеспечивающие «узнавание» субстрата антителом. Это достигается включением в гаптен группировок, аналогичных группировкам субстрата. Кроме того, гаптен обязательно должен иметь группировку, позволяющую иммобилизовать его на белке, причем так, чтобы остаток гаптена находился в антигене на некотором расстоянии от белковой цепи. Такой группировкой, называемой «спейсером» или «линкером», может быть короткая алифатическая цепочка, содержащая на конце активную функцииональную группу (например, карбоксильную). При иммобилизации карбоксильная группа спейсера реагирует, например, с аминогруппой остатка лизина белковой молекулы и привязывает к ней гаптен прочной амидной связью.

Иммобилизация гаптена на белке обычно протекает в мягких условиях, не затрагивающих ни гаптен, ни иммуногенный белок. Количество молекул гаптена, которые при этом связываются с молекулой белка, зависит от условий иммобилизации. Обычно при синтезе антигена стараются достигнуть привязки не менее 10−20 остатков гаптена на одну молекулу белка.

Полученный таким образом антиген используется для иммунизации животных — мышей чистых линий. Иммунизацию обычно проводят по стандарт-ной методике; при получении конкретных КА различаются лишь отдельные детали. Как правило, осуществляют двух-трехкратную иммунизацию посредством внутримышечной инъекции в присутствии адъюванта (чаще всего адъюванта Фрейнда), а затем — одну внутривенную инъекцию без адъюванта для усиления иммунного ответа. По истечении определенного срока клетки селезенки иммунизованного животного используют для получения моноклональных антител в соответствии с классической гибридомной технологией. Для этого клетки селезенки «сплавляют» с клетками миеломы в растворе полиэтиленгликоля. Сформированные таким образом гибридомы продуцируют моноклональные антитела, отвечающие различным фрагментам молекулы антигена. Из всей массы полученных моноклональных антител отбирают те, которые генерированы к структурным фрагментам гаптена и способны образовывать с ним комплекс (благодаря комплементарности их структур). Это достигается исследованием образовавшихся антител методом иммуноферментного анализа (enzyme linked immunosorbent assay — ELISA). В качестве реагента используют гаптен, иммобилизованный на BSA. Образование комплекса гаптена с антителом свидетельствует о комплементарности структуры активного центра антитела со структурой гаптена (и, следовательно, со структурой переходного состояния субстрата, которое моделировал данный гаптен). Можно ожидать, что такие антитела будут обладать каталитическими свойствами. Это проверяется далее прямыми экспериментами по способности отобранного антитела катализировать исследуемую реакцию.

Для получения каталитического антитела в количестве, необходимом для дальнейшего исследования, соответствующую гибридому, отобранную при ELISA-анализе, снова вводят мыши и выделяют целевое КА из асцитной жидкости, в которой оно содержится в высокой концентрации. Полученное КА очищают далее обычными приемами белковой химии (осаждение, хроматография и электрофорез).

Будучи белком, КА полностью теряет свою активность при термической обработке (денатурации), а также меняет ее при обработке типичными модификаторами белка (иодацетамидом, диэтилкарбонатом, тетранитрометаном и др.).

Иногда для получения активных КА применяют более сложные специфические процедуры. Так, например, производится последовательная иммунизация мышей двумя антигенами, различающимися структурой гаптена (так называемая «гетерологическая иммунизация»). При этом у КА формируется активный центр, отвечающий особенностям обоих гаптенов, что придает КА нужную специфичность. В других случаях используют антиген, содержащий гаптен, который не только является стабильной моделью переходного состояния, возникающего при превращении субстрата, но и сам вступает во взаимодействие с формирующимся активным центром КА, воссоздавая тем самым динамику превращения молекулы субстрата в процессе каталитической реакции (так называемая «реактивная иммунизация»).

По своим свойствам и поведению КА являются типичными белками, относящимися к классу иммуноглобулинов. Их физико-химические характеристики близки к характеристикам природных ферментов. Так, их поведение в каталитическом процессе подчиняется насыщающей кинетике и следует уравнению Михаэлиса-Ментена. Это свидетельствует о том, что в основе их каталитического действия лежит образование фермент-субстратного комплекса, что было непосредственно подтверждено масс-спектрометрическим исследованием.

Ингибирование действия КА гаптеном или его аналогом свидетельствует о том, что полость активного центра КА действительно комплементарна используемому для его генерации гаптену. Ингибиторный анализ КА широко применяется при исследовании строения активного центра КА и механизма его каталитического действия. Каталитический эффект количественно оценивается соотношением констант скорости катализируемой и некатализируемой (основной) реакций.

Важнейшей характеристикой КА является специфичность, в том числе стереоселективность. Для определения специфичности действия КА используют традиционный подход — изучают реакции структурных аналогов субстрата и определяют скорости их превращения и/или их ингибиторный эффект при катализе.

В нескольких случаях структура КА или его активного центра детально изучалась методом рентгеноструктурного анализа самого КА или его комплекса с субстратом. Такие исследования предпринимались главным образом для выяснения механизма действия КА на молекулярном уровне, для сравнения структуры и механизма действия КА и близкого природного фермента и для решения других вопросов этимологии, где КА использовались в качестве моделей.