Opracowana przez zespół prof. Marcina Drąga technologia wykorzystująca nienaturalne aminokwasy pomogła rozpracować jeden z najważniejszych enzymów SARS-CoV-2, a wyniki tych badań wykorzystano przy tworzeniu leku Paxlovid. Dziś Drąg buduje w Warszawie Centrum Chemii Biologicznej PAN w ramach grantu ERA Chairs “PERFECTION” oraz wsparciu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i chce podobne narzędzia wykorzystać między innymi w walce z antybiotykoodpornością

Academia: Skąd wzięło się u pana zainteresowanie pograniczem chemii i biologii?

Marcin Drąg: W liceum bardzo lubiłem biologię, a chemia zaczęła mnie fascynować, kiedy zrozumiałem, że pozwala wyjaśniać procesy biologiczne. Chciałem studiować oceanografię, ale wtedy była gdzieś daleko, w Gdyni, nie było internetu, więc ostatecznie wybrałem chemię środowiska na Uniwersytecie Wrocławskim. Później stopniowo przesuwałem się coraz bardziej w stronę biologii – doktorat zrobiłem z chemii bioorganicznej, a na stażu podoktorskim w SBP Medical Discovery Institute w La Jolla (Kalifornia) pracowałem już właściwie na pograniczu biochemii i biologii molekularnej, aż ostatecznie zostałem chemikiem biologicznym. I tym zajmuję się do dzisiaj.

Bardzo podoba mi się wyjaśnianie biologii za pomocą małych cząsteczek. Najbardziej chyba wciągnęło mnie to podczas stażu w Stanach Zjednoczonych, kiedy rozwijał się nurt chemii biologicznej: tworzenie cząsteczek, które pozwalają śledzić, co dzieje się w żywym organizmie, bez zaburzania jego działania. Trzeba umieć stworzyć odpowiedni związek, tak by później umożliwił uzyskanie precyzyjnej odpowiedzi na pytania biologiczne. To mi się spodobało i dlatego robię to do dziś.

Miał pan wykształcenie chemiczne, ale coraz częściej pracował pan z biologami. Trudno było nauczyć się ich sposobu myślenia?

To ogromny problem we współpracy chemików z biologami, bo to tak jakby mówili zupełnie różnymi językami. W USA trafiłem jako jedyny chemik do instytutu, w którym pracowało około 700 biochemików, biologów molekularnych, biologów i lekarzy. Tam nie miałem wyjścia – musiałem nauczyć się ich języka. To procentuje do dzisiaj, bo problem wcale nie zniknął. Nawet na konferencjach często widać, że chemicy i biolodzy, choć teoretycznie rozmawiają o tym samym problemie, kompletnie się nie rozumieją.

Pomogła mi też technologia HyCoSuL, która powstała w moim laboratorium. Tworzą ją chemicy, ale jest przeznaczona przede wszystkim dla biochemików, biologów i biologów molekularnych. Musimy więc bardzo ściśle z nimi współpracować.

HyCoSuL to jedna z rzeczy, z którymi jest pan najbardziej kojarzony. Do czego służy?

Kiedy pracowałem w Stanach, ogromna część badań opierała się na 20 naturalnych aminokwasach, czyli tych, z których zbudowane są nasze białka. Nienaturalne aminokwasy były już znane i wykorzystywane w niektórych lekach, jednak stosowano je w tym celu bardzo rzadko i z dużą ostrożnością, a jeszcze rzadziej wykorzystywano je systematycznie jako narzędzie do badania procesów biologicznych.

Zaproponowaliśmy, żeby znacznie rozszerzyć ten zestaw. HyCoSuL, czyli hybrydowa kombinatoryczna biblioteka substratów, pozwala sprawdzać, jakie cząsteczki najlepiej rozpoznaje badany enzym, przede wszystkim proteaza.

Proteazy to enzymy przecinające białka w określonych miejscach. Jeżeli chcemy je zablokować albo przeciwnie – wykorzystać ich aktywność w diagnostyce – musimy bardzo dokładnie wiedzieć, jakie struktury rozpoznają. Wprowadzenie nienaturalnych aminokwasów ogromnie zwiększa liczbę możliwych kombinacji i pozwala znaleźć oddziaływania, których przy ograniczeniu się do naturalnych aminokwasów po prostu byśmy nie zobaczyli.

Na początku budziło to duży sceptycyzm. Biolodzy mówili mi na seminariach, że ewolucja jest tak genialna, iż nie ma sensu niczego zmieniać, a za pomocą nienaturalnych aminokwasów niczego szczególnego nie odkryjemy. Z czasem okazało się, że jest dokładnie odwrotnie. Dziś biolodzy bardzo chętnie sięgają po takie narzędzia. Możemy dzięki nim tworzyć substraty diagnostyczne, inhibitory czy markery chemiczne. Teraz żartobliwie często mówię, że ewolucja zatrzymała się na 20 naturalnych aminokwasach, a moje laboratorium ją wyprzedziło i poszło o krok dalej.

Drugim zarzutem było to, że z nienaturalnych aminokwasów nigdy nie powstanie lek. Mówiono, że FDA nie dopuści małej cząsteczki złożonej z kilku takich aminokwasów. Już wtedy nie było to do końca prawdą, bo istniały leki zawierające pojedyncze nienaturalne aminokwasy. Ostatecznego argumentu dostarczyła jednak pandemia.

Właśnie wtedy pańskie badania przełożyły się na lek?

Na początku pandemii, wspólnie z prof. Rolfem Hilgenfeldem, opisaliśmy, jakie aminokwasy mogą dobrze wiązać się z proteazą Mpro koronawirusa, czyli enzymem niezbędnym do jego namnażania. Wskazaliśmy między innymi kluczową tert-leucynę, będącą wynikiem skriningu naszej biblioteki HyCoSuL, którą następnie wykorzystano jako swoistą „przynętę”, która mogła pomóc w poszukiwaniu istniejących już baz danych cząsteczek o podobnych elementach strukturalnych. Nasza praca spotkała się z olbrzymim zainteresowaniem i wkrótce okazało się, że tert-leucyna zajmuje w miejscu aktywnym Mpro pozycję podobną do tej, którą zajmuje w boceprewirze – leku stosowanym wcześniej w leczeniu zapalenia wątroby typu C. Z boceprewiru można było z kolei wykorzystać znajdującą się obok tert-leucyny zmodyfikowaną prolinę. Połączenie tych dwóch elementów, w oparciu o wcześniej zgromadzoną wiedzę, doprowadziło do stworzenie przez firmę Pfizer nirmatrelwiru – substancji czynnej leku Paxlovid. W tym sensie nirmatrelwir nie powstał od zera, lecz był wynikiem twórczego połączenia informacji i rozwiązań, których początek był w identyfikacji przez nasze grupy tert-leucyny.

Dla mnie był to jeden z największych sukcesów, bo pokazał, że to, co odkrywamy dzięki naszej technologii, może prowadzić do struktur wiodących, a ostatecznie do leków. Metoda, która wcześniej budziła duży sceptycyzm, została w ten sposób bardzo mocno potwierdzona.

Jej zastosowania są jednak znacznie szersze. Niedawno na łamach Nature ukazała się praca będąca bezpośrednią kontynuacją naszych badań prowadzonych na Politechnice Wrocławskiej nad zapalnymi kaspazami z wykorzystaniem technologii HyCoSuL. W mojej grupie badawczej zajmowali się nimi między innymi moi byli doktoranci – Kasia Groborz i Marcin Poręba. Kasia później wyjechała na staż podoktorski do Genentech, gdzie rozwijała te badania, koncentrując się na pyroptozie, czyli formie śmierci komórki związanej ze stanem zapalnym. Kasia jest pierwszą autorką tej publikacji, a Marcin jednym z autorów korespondencyjnych.

Jestem z tego szczególnie dumny, ponieważ pokazuje to nie tylko, że badania rozpoczęte przed laty w naszym zespole na Politechnice Wrocławskiej mogą prowadzić do przełomowych odkryć i międzynarodowej współpracy, ale także, że udało mi się stworzyć szkołę naukową i wykształcić znakomitych, samodzielnych naukowców. Ich późniejsze osiągnięcia są dla mnie jednym z największych powodów do satysfakcji. To ogromna wartość, gdy wiedza i idee rozwijane w jednym zespole są dalej podejmowane przez jego wychowanków i znajdują zastosowanie w nowych, ambitnych badaniach, również we współpracy z tak znaczącymi firmami biotechnologicznymi jak Genentech.

Można więc powiedzieć, że technologia znalazła zastosowanie zarówno w diagnostyce i badaniu skomplikowanych procesów biologicznych, jak i w projektowaniu leków.

Wróćmy do początku pandemii. To był chyba moment, gdy ogromna część środowiska biologicznego i chemicznego, szukając leku, zaczęła pracować niemal w warunkach wojennych. Wy byliście w nietypowej sytuacji, bo właściwie przygotowywaliście się do tego wcześniej.

Wynikało to ze współpracy z Rolfem Hilgenfeldem. Zaczęliśmy w 2016 roku od wirusa Zika. Bardzo dokładnie przeanalizowaliśmy specyficzność jego proteazy i pokazaliśmy, że jest bardzo podobna do proteaz wirusa Zachodniego Nilu i dengi. To było ważne, bo ukazywały się wówczas prace sugerujące coś zupełnie innego, wprowadzając w błąd naukowców pracujących nad tym problemem w szczycie pandemii Zika. 

Rolf zaufał nam i zaczęliśmy badać kolejne proteazy wirusowe. A on przy każdej wizycie powtarzał jak mantrę, że przyjdzie następna pandemia. Mieliśmy SARS, na Bliskim Wschodzie cały czas pojawiał się MERS, koronawirusów jest bardzo dużo i mają ogromną zdolność do zmian. Uważał, że kolejny poważny problem najprawdopodobniej również wywoła koronawirus.

Zrobiliśmy więc bibliotekę HyCoSuL ukierunkowaną na koronawirusy. Nie mogliśmy dostać na to finansowania, bo uważano, że problem dotyczy Azji i w Europie nie ma sensu się nim zajmować. Dzięki współpracy z przemysłem miałem jednak pewną poduszkę finansową i mogliśmy realizować projekty, które uważaliśmy za ciekawe, nawet jeśli nie dostawaliśmy na nie grantów ze środków publicznych.

Biblioteka powstała dosłownie miesiąc czy dwa przed wybuchem pandemii. Jej przygotowanie zajmuje kilka miesięcy, więc gdy pojawił się SARS-CoV-2, byliśmy gotowi.

Co właściwie wtedy badaliście?

Jednym z kluczowych elementów wirusa jest proteaza Mpro. Kiedy koronawirus wnika do komórki, uwalnia swoje RNA, na podstawie którego komórka produkuje bardzo duże białko – poliproteinę, niezbędną do namnażania wirusa. Żeby jednak wirus mógł zbudować kolejne swoje kopie, tę wielką cząsteczkę trzeba pociąć na mniejsze, funkcjonalne elementy. I właśnie Mpro działa jak molekularne nożyczki wykonujące te cięcia. Jeżeli zatrzymamy Mpro, wirus nie może prawidłowo przygotować białek potrzebnych do dalszego namnażania. Dlatego od początku wiedzieliśmy, że jest to bardzo dobry cel dla leku.

Szybko porównaliśmy Mpro SARS-CoV-2 z proteazą wcześniejszego SARS-CoV-1. W tamtym czasie pojawiało się wiele prac sugerujących, że enzymy te bardzo się różnią i że właśnie to może odpowiadać za charakter nowej pandemii. My pokazaliśmy, że pod względem tego, co było dla nas najważniejsze, czyli centrum aktywnego, są praktycznie identyczne. Wiedzieliśmy też, że centrum aktywne tej proteazy nie może się łatwo zmieniać. Wirus może mutować w wielu miejscach, ale jeśli zmieni element konieczny do prawidłowego cięcia własnej poliproteiny, zaszkodzi sam sobie. Dlatego zakładaliśmy, że lek wymierzony właśnie w to miejsce powinien działać także na kolejne warianty. I tak się stało.

Dzisiaj chce pan wykorzystywać podobne narzędzia znacznie szerzej: w nowotworach, chorobach bakteryjnych, zakażeniach pasożytniczych czy innych wirusach.

W przypadku nowotworów mamy już wiele leków. Ogromnym problemem pozostaje oczywiście diagnostyka, bo często wykrywamy chorobę zbyt późno, ale zarówno w diagnostyce, jak i leczeniu postęp jest bardzo duży.

Z antybiotykoodpornością sytuacja wygląda inaczej. Coraz więcej osób umiera z powodu zakażeń bakteriami odpornymi na leczenie i nie mamy na to dobrej odpowiedzi. Uważam, że w ciągu 10–15 lat możemy dojść do momentu, w którym stanie się to naprawdę ogromnym problemem, a my nie będziemy dysponowali odpowiednimi lekami.

Dzisiaj możemy próbować zastosować podobną strategię, jak podczas pandemii, wobec proteaz bakteryjnych: znajdować nowe cząsteczki i na ich podstawie tworzyć nowe typy antybiotyków albo narzędzia diagnostyczne, na przykład do wykrywania sepsy. To obecnie jeden z naszych głównych kierunków.

Dlaczego ten problem jest tak zaniedbany?

Wiele osób zakłada, że wielkie firmy farmaceutyczne mają gdzieś w szufladzie nowe antybiotyki. To nie jest do końca prawda. Badania oczywiście są prowadzone, ale firmy patrzą przede wszystkim na rozwiązania, na których mogą zarabiać teraz, a niekoniecznie na to, co będzie potrzebne za 10, 15 czy 20 lat.

Jeżeli dojdzie do poważnego kryzysu związanego z antybiotykoodpornością, prawdopodobnie znowu wszystkie siły zostaną rzucone na ten problem, tak jak podczas pandemii. Tyle że rozwiązania powinniśmy przygotowywać już teraz, żeby nie znaleźć się ponownie w sytuacji, w której nie mamy ani testu, ani leku.

Co pana dzisiaj bardziej interesuje: znajdowanie odpowiedzi na konkretne pytania naukowe czy tworzenie narzędzi, dzięki którym takich odpowiedzi będą mogli szukać inni?

Jedno i drugie. Dwa miesiące temu na Gordon Research Conference poświęconej proteazom przedstawiłem koncepcję HyCoSuL 2.0. To jest zupełnie nowe otwarcie. Wiem, że obecny HyCoSuL świetnie działa w przypadku wielu proteaz, ale przez te 15 lat cały czas powtarzałem, że potrzebujemy dalszego rozwoju. Lubię powiedzenie, że ulepszanie świeczki nie doprowadzi do wynalezienia elektryczności. Możemy więc dalej rozwijać HyCoSuL, ale równocześnie próbujemy zrobić coś zupełnie nowego.

Po przedstawieniu tej koncepcji zostałem wręcz zasypany ofertami współpracy nad nowymi strukturami wiodącymi dla diagnostyki i leków. Bardzo intensywnie ten kierunek teraz rozwijamy.

Buduje pan od podstaw nowe Centrum Chemii Biologicznej PAN. Da się pogodzić naukę z zarządzaniem całym ośrodkiem?

Dla mnie to przyjemność. Zawsze chciałem stworzyć taki ośrodek. Mamy już budynek, praktycznie cały sprzęt  został kupiony, kończymy certyfikacje i w przyszłym miesiącu powinniśmy rozpocząć pracę w laboratoriach.

Zrekrutowaliśmy trzech liderów grup i ośmiu doktorantów z całego świata. Chcę zatrudnić jeszcze około dziesięciu osób. Dostaliśmy już kilka grantów, więc wygląda to bardzo dobrze.

Nigdy natomiast nie interesowały mnie stanowiska menedżarskie, czyli takie które odciągałyby mnie od prowadzenia badań naukowych. Chcę być naukowcem i uprawiać naukę. Chcę z jednej strony tworzyć technologie, z których mogą korzystać inni, tak jak HyCoSuL, a mam nadzieję, że również HyCoSuL 2.0. Z drugiej – wykorzystywać te narzędzia do rozwiązywania konkretnych problemów biologicznych.

Ostatnia praca w Nature jest dobrym przykładem. Zaczynamy od prostego narzędzia pozwalającego zrozumieć działanie enzymu, później sprawdzamy, gdzie ten enzym działa, a na końcu dochodzimy do jego roli w całym procesie biologicznym i możliwości stworzenia nowej terapii.

Tak samo jest z antybiotykoopornością. Nie jestem mikrobiologiem, ale znam świetnych mikrobiologów na świecie, którzy chcą z nami współpracować. Nie odchodzimy przy tym od proteaz wirusowych czy związanych z nowotworami. Raczej rozwijamy badania w stronę coraz lepszych narzędzi chemicznych do zastosowania w biologii.

Co jest potrzebne, żeby robić naprawdę przełomowe badania?

Wolność akademicką i być oczytanym. Trzeba czytać jak najwięcej. Jednym z problemów jest dziś sztuczna inteligencja – wielu osobom się wydaje, że dostaną od niej pomysł, którego nikt wcześniej nie miał. Nic bardziej mylnego. Ten problem nie zaczął się oczywiście od AI, bo już wcześniej ludzie po prostu nie czytali literatury. Co chwilę dostaję do recenzji pracę i czasem aż mi żal pisać, że to zostało już zrobione 15, 20 czy 30 lat temu.

Bardzo dużo czasu spędzam na czytaniu zarówno najnowszej, jak i starszej literatury. Trzeba umieć łączyć kropki: zestawiać dawne fakty z nowymi i dostrzegać, że dzięki metodom, które właśnie się pojawiły, można wreszcie przeprowadzić eksperyment, który 20 lat temu był niemożliwy. 

Myślę, że trochę przeceniamy sztuczną inteligencję, oczekując, że rozwiąże za nas problemy. Być może kiedyś  tak będzie, ale na razie nadal potrzebne są analiza ogromnej ilości wiedzy, czytanie i umiejętność łączenia faktów. Cały czas powtarzam doktorantom i postdokom: czytajcie literaturę, bo naprawdę zbyt często odkrywamy koło na nowo.

A jak pan odpoczywa od laboratorium?

Jeżdżę na ryby. Mam też działkę, na której bardzo lubię pracować fizycznie. No i uwielbiam gotować, a poza tym sporo podróżuję. Lubię miejsca mniej oczywiste i niezbyt łatwo dostępne. Za miesiąc jadę do Kazachstanu, Uzbekistanu i Tadżykistanu. Zwykle podróżujemy w takim półkempingowym trybie: chcemy poznać jak najwięcej ludzi i miejsc, zatrzymujemy się tam, gdzie miejscowi. Drogie hotele i wakacje na plaży zupełnie mnie nie interesują.

W przyszłym roku jadę na ryby do Patagonii. Takie miejsca pozwalają bardzo mocno odciąć się od codzienności. A z drugiej strony właśnie wtedy przychodzą mi do głowy najciekawsze pomysły.

HyCoSuL też powstał na rybach?

Wymyśliłem go, kiedy łowiłem tuńczyki na Pacyfiku. Pomyślałem wtedy, że jeżeli pójdziemy łowić do małego stawu, mamy ograniczoną liczbę gatunków i niewielkie pole poszukiwań. Jeżeli wypłyniemy na ocean, liczba gatunków i możliwości gwałtownie rośnie.

Tak samo jest z aminokwasami. 20 naturalnych aminokwasów to taki staw. Jeżeli przeniesiemy się do świata nienaturalnych aminokwasów, trafiamy na ocean. Liczba kombinacji staje się ogromna. Mamy więcej „gatunków ryb”, więcej możliwości i większą szansę, że złowimy coś naprawdę ciekawego.

Jest jeszcze coś, co chciałby pan w nauce osiągnąć, żeby móc powiedzieć: zrobiłem wszystko, co miałem do zrobienia, teraz już tylko ryby?

Kiedyś chciałem stworzyć metodę, która będzie używana przez innych naukowców. HyCoSuL bardzo szybko się przyjął, więc pierwsze marzenie się spełniło. Później chciałem tworzyć narzędzia diagnostyczne i podczas pandemii udało nam się opracować marker pozwalający zobaczyć aktywność koronawirusa w zakażonej komórce. Później pomyślałem, że dobrze byłoby, gdyby powstał lek wykorzystujący nienaturalne aminokwasy. Taki lek również powstał. Chciałem za pomocą naszych narzędzi rozwiązywać skomplikowane problemy biologiczne i ostatnia praca w Nature pokazała, że to także jest możliwe.

Nie mam więc już jednego wielkiego marzenia w rodzaju: jeszcze tylko to i koniec. Bardziej interesują mnie problemy, które pojawiają się po drodze. Pojawił się koronawirus i byliśmy na niego przygotowani. Dzisiaj patrzymy na bakterie i antybiotykoodporność. Niedawno rozmawiałem z naukowcami w Brazylii i pojawił się pomysł tworzenia leków działających na jad węży, skorpionów czy niektórych pająków.

W składzie wielu takich jadów bardzo ważną rolę odgrywają proteazy. Uczestniczą między innymi w zaburzaniu krzepnięcia krwi i odpowiadają za część uszkodzeń powodowanych przez jad. Można więc sobie wyobrazić, że oprócz podawania surowicy stosujemy lek, który bardzo szybko blokuje te proteazy i wspomaga leczenie po ukąszeniu.

Wcześniej nawet bym o tym nie pomyślał. I właśnie to najbardziej mnie interesuje: pojawia się nowy problem, a my sprawdzamy, czy możemy wykorzystać narzędzia, które już mamy, albo stworzyć nowe. To mnie w nauce najbardziej kręci.

Marcin Drąg – chemik specjalizujący się w chemii biologicznej, związany z Instytutem Chemii Fizycznej PAN, gdzie tworzy Centrum Chemii Biologicznej. Wcześniej przez lata kierował zespołem badawczym na Politechnice Wrocławskiej. Opracował technologię HyCoSuL, wykorzystującą nienaturalne aminokwasy do badania proteaz. Jego zespół należał do pierwszych, które scharakteryzowały kluczowe proteazy SARS-CoV-2; wyniki tych badań wykorzystano później przy opracowywaniu leku Paxlovid. Obecnie zajmuje się między innymi proteazami, antybiotykoopornością oraz tworzeniem nowych narzędzi chemicznych do badania procesów biologicznych.

• Nauki medyczne
• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi