Knihovny struktur je pojem, ktery se behem velmi kratke doby vzil v oblasti studia interakci bilkovina-bilkovina, peptid-bilkovina, oligonukleotid-bilkovina, nukleova kyselina-bilkovina, ale, co je dulezite, plati zcela obecne pro interakci libovolna chemicky definovana struktura - libovolny studovany biosystem. Pred objevenim tohoto metodologickeho postupu se bezne strukturne-aktivitni studie opiraly temer vzdy o tzv. klicove struktury (volne z angl. lead compounds) se znamou aktivitou v pozorovanem systemu. Od klicovych struktur byly a stale jeste jsou, casto empiricky, odvozovany ruzne derivaty. Biochemicke testy vytridi ty nejuspesnejsi, az nakonec zustane jedna nebo nekolik malo farmakologicky ucinnych latek. Stovky neuspesnych kandidatu jsou vsak syntetizovany, cisteny, charakterizovany a testovany se stejnym usilim a stejnymi naklady jako ty uspesnejsi. Koncepce knihoven struktur se stala dulezitym, kvalitativne zcela novym nastrojem pro vyhledavani perspektivnich latek, ktery muze pomoci omezit tuto neproduktivni cast vyzkumu.
Podstatou knihoven je interakce velkeho, nahodne vznikleho souboru struktur (knihovny struktur) s biosystemem a vyhledani tech latek z teto knihovny, ktere jsou za interakci odpovedne. Pokud se v souboru struktur vyskytuje aktivni komponenta silne interagujici s biosystemem, muze byt vhodnym detekcnim systemem nalezena, izolovana a posleze identifikovana. Struktura nas tedy zajima az na samem konci experimentu, zatimco klicovym jevem je interakce s biosystemem (napriklad navazani protilatky na peptid s vhodnou aminokyselinovou sekvenci, epitopem).
Velmi vyznamnou oblast knihoven struktur tvori peptidove knihovny. Peptidy jsou latky, ktere odpovidaji za znacnou cast biochemickych pochodu. Mezi peptidy patri dulezite hormony, faktory a inhibitory. Synteza peptidu navazovanim jednotlivych aminokyselin peptidovou vazbou v retezec ukotveny k nosici, dovoluje pripravit paralelne nekolik peptidu najednou.
Dlouholete prakticke poznatky z mnohonasobnych syntez peptidu dovedly tuto metodu k jiste dokonalosti a predznamenaly eru knihoven. Prvni knihovny peptidu se objevily temer soucasne na dvou ruznych pracovistich (Arizona, Kalifornie). Obe pojeti se lisi metodou, ale je mozne na obou ilustrovat filosofii knihoven peptidu obecne. Podstatne je, ze oba pristupy pracuji se znacnym mnozstvim (tisice, miliony) peptidovych struktur soucasne, definovana je jen delka peptidu a stavebni aminokyseliny.
Prvni pristup muze byt oznacen jako: jedna kulicka nosice - jedna peptidova struktura. To znamena, ze kazda kulicka polymerniho nosice obsazena v knihovne nese jednu unikatni sekvenci. Synteza knihovny tohoto typu spociva v rozdeleni veskereho nosice do N reaktoru, ve kterych jsou oddelene na nosic navazany aminokyseliny (N aminokyselin) ruzne pro kazdy jednotlivy reaktor (tedy jedna aminokyselina v jednom reaktoru), po navazani je nosic smichan. Vznikla smes je opet zcela nahodne rozdelena do techto N reaktoru, kde jsou navazany druhe aminokyseliny (vznikne tak vsech N^2 teoreticky moznych dipeptidu). Po X cyklech tak ziskame smes, ktera obsahuje N^X ruznych peptidovych sekvenci (knihovna dekapeptidu vzniklych kombinaci dvaceti prirozenych aminokyselin tak obsahuje teoreticky 20^10 ruznych sekvenci vazanych na nosic).
Druha metoda operuje se smesmi peptidu, ktere obsahuji urcite definovane, fixovane spolecne prvky. Zbyla cast peptidu je zcela nahodna. Napriklad v hexapeptidove knihovne mohou byt fixovany dve aminokyseliny A a B, struktura takove knihovny pak muze byt znazornena napr.: XXABXX.
Vyhodnoceni obou typu knihoven v biochemickych testech je podobne: zatimco prvni typ knihovny umozni nalezt primo jednu konkretni sekvenci zodpovednou za vazbu na dany biochemicky cil, pomoci druheho typu knihoven muzeme nalezt obecnejsi strukturni motiv spolecny pro celou jednu smes peptidu. V tomto pripade zbyle optimalni aminokyseliny a jejich polohy je nutne iterativne dohledat (je nutne syntetizovat dalsich N^2 smesi typu O1O2ABXX; A, B jsou puvodni fixovane aminokyseliny, O1O2 jsou aminokyseliny zafixovane v nove syntetizovane knihovne a potom cely cyklus zopakovat a optimalizovat XX, posledni dve aminokyseliny).
Z hlediska pouzitelnosti knihoven lze vymezit dve hlavni oblasti. Prvni, kde jde o mapovani epitopu protilatek, vazebnych mist na receptor, vazba enzym-substrat, tj. knihovna je zde nastrojem k poznavani prirozenych interakci, slouzi k "ohmatani" biologickeho systemu. Druha oblast se zabyva vyhledavanim struktur novych perspektivnich leciv. V tomto pripade knihovna slouzi k nalezeni optimalnich struktur pro cilene zasahy do organismu a jeho funkci. Nedostatkem peptidovych knihoven je vysoka biodegradabilita umele pripravenych peptidu. I peptid s vysokou aktivitou v testu s biochemickym systemem in vitro je obvykle v realnem prostredi v organismu enzymaticky stepen, neprojde dulezitou membranou nebo vyvola nezadouci imunitni reakci. Proto poslednim trendem v aplikaci knihoven pro vyvoj leciv jsou knihovny tzv. nepeptidovych struktur.
Vyvoj farmakologicky uzitecnych latek bud smeruje od peptidu k nepeptidum (po otestovani knihovny je sekvence s vysokou aktivitou modifikovana tak, aby byla zvysena jeji stabilita a zaroven nebyla snizena jeji aktivita), nebo k priprave knihoven struktur jinych nez peptidovych. Cesta od peptidove struktury k nepeptidove je i nadale velmi rozsirena a tvorba analogu peptidu napr. pomoci redukovane peptidove vazby, neprirozenych aminokyselin atd. je stale uspesna.
Velmi dulezitou soucasti jsou samozrejme i zpusoby analyzy aktivnich struktur a metody biochemickeho testovani. Obe odvetvi maji v oblasti knihoven urcite specificke rysy, vyuzivaji radu triku a zaslouzily by si zvlastni kapitoly.
Tento clanek si klade za cil poskytnout pouze vstupni informace o oboru, ktery je v soucasne dobe velmi progresivni, cehoz dokladem muze byt skutecnost, ze v teto chvili existuje v dane problematice priblizne sto padesat zverejnenych vedeckych praci. To, ze metoda knihoven struktur je bez pochyby perspektivni, je mozne dokumentovat obrovskym zajmem vyznamnych svetovych farmaceutickych firem o rozvoj teto oblasti.
Literatura:
1. Lam K. S., Salmon S. E., Hersh E. M., Hruby V. J., Kazmierski W. M., Knapp R. J.: Nature 354, 82 (1991).
2. Houghten R. A., Pinilla C., Blondelle S. E., Appel J. R., Dooley C. T., Cuervo J. H.: Nature 354, 84 (1991).