پیشرفتی در حوزه ژن‌درمانی: ساختارهای پروتئینی پیچیده برای درمان‌های نوین

مقاله‌ای که در تاریخ ۱۸ دسامبر در مجله Nature منتشر شد، به تحقیقات نوآورانه‌ای در مورد ساختارهای پروتئینی پیچیده پرداخته که توسط پروفسور سانگمین لی از دپارتمان مهندسی شیمی دانشگاه POSTECH و پروفسور دیوید بیکر از دانشگاه واشنگتن، برنده جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۴، انجام شده است. این تیم تحقیقاتی با استفاده از هوش مصنوعی (AI) ساختارهای پیچیده ویروس‌ها را شبیه‌سازی کرده و یک پلتفرم درمانی نوین طراحی کرده‌اند.

ویروس‌ها به طور طبیعی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مواد ژنتیکی را درون پوسته‌های پروتئینی کروی شکل خود محصور کرده و به این ترتیب می‌توانند خود را تکثیر کرده و به سلول‌های میزبان حمله کنند و اغلب باعث بیماری می‌شوند. محققان از این ساختارهای پیچیده الهام گرفته و به بررسی پروتئین‌های مصنوعی مشابه ویروس‌ها پرداخته‌اند. این “نانوکاج‌ها” رفتار ویروسی را تقلید کرده و به طور مؤثری ژن‌های درمانی را به سلول‌های هدف منتقل می‌کنند. با این حال، نانوکاج‌های موجود با چالش‌های زیادی روبه‌رو هستند؛ اندازه کوچک آنها محدودیت‌هایی در مقدار مواد ژنتیکی که می‌توانند حمل کنند ایجاد می‌کند و طراحی‌های ساده آنها قادر به شبیه‌سازی عملکرد چندمنظوره پروتئین‌های طبیعی ویروسی نیستند.

برای رفع این محدودیت‌ها، تیم تحقیقاتی از طراحی محاسباتی مبتنی بر هوش مصنوعی استفاده کرد. در حالی که بیشتر ویروس‌ها ساختارهای متقارن دارند، آنها همچنین دارای تقارن‌های ظریف و نامتقارن هستند. با بهره‌گیری از هوش مصنوعی، تیم توانست این ویژگی‌های پیچیده را شبیه‌سازی کرده و برای اولین بار نانوکاج‌هایی با اشکال تتراهدرال، اوکتاهدرال و ایکوساهدرال طراحی کند.

نتایج به دست آمده نشان داد که نانو ساختارهای حاصل از چهار نوع پروتئین مصنوعی تشکیل شده‌اند که معماری‌های پیچیده‌ای با شش نوع رابط پروتئین-پروتئین را ایجاد می‌کنند. در میان این ساختارها، ساختار ایکوساهدرال که قطر آن به ۷۵ نانومتر می‌رسد، برجسته است زیرا می‌تواند سه برابر بیشتر از وکتورهای معمولی تحویل ژن (مانند ویروس‌های آدنویروس وابسته به ویروس یا AAV) مواد ژنتیکی را حمل کند، که این پیشرفتی مهم در درمان‌های ژنی به شمار می‌رود.

میکروسکوپ الکترونی نشان داد که نانوکاج‌های طراحی شده با هوش مصنوعی موفق شده‌اند ساختارهای متقارن دقیقی را طبق طراحی‌های مورد نظر ایجاد کنند. آزمایش‌های عملکردی نیز توانایی آنها را در انتقال مؤثر محموله‌های درمانی به سلول‌های هدف به خوبی نشان داد و راه را برای کاربردهای پزشکی عملی هموار کرد.

پروفسور سانگمین لی در این باره گفت: “پیشرفت‌های هوش مصنوعی درهای یک عصر جدید را گشوده است که در آن می‌توانیم پروتئین‌های مصنوعی را طراحی و مونتاژ کنیم تا نیازهای بشر را برآورده سازیم.” او افزود: “امیدواریم این تحقیق نه تنها توسعه درمان‌های ژنی را تسریع کند، بلکه موجب پیشرفت‌های چشمگیر در واکسن‌های نسل آینده و سایر نوآوری‌های زیست‌پزشکی شود.”

پروفسور لی پیش از پیوستن به دانشگاه POSTECH در ژانویه ۲۰۲۴، به مدت نزدیک به سه سال به عنوان محقق پسا دکتری در آزمایشگاه پروفسور بیکر در دانشگاه واشنگتن مشغول به کار بوده است.

این تحقیق با حمایت وزارت علوم و فناوری اطلاعات کره جنوبی در چارچوب برنامه “دانشمندان جوان برجسته”، برنامه توسعه فناوری نانو و مواد، و برنامه تحقیقات مرز جهانی انجام شده است و تأمین مالی اضافی آن از سوی موسسه پزشکی هاوارد هیوز (HHMI) در ایالات متحده صورت گرفته است.

:References

Lee, S., Kibler, R. D., Ahn, G., Hsia, Y., Borst, A. J., Philomin, A., Kennedy, M. A., Huang, B., Stoddard, B., & Baker, D. (2024). Four-component protein nanocages designed by programmed symmetry breaking. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07814-1

برای مشاهده نمونه‌ای از بررسی ژن‌درمانی در بیماری‌های چشمی، مقاله تحقیقات ژن‌درمانی گلوکوم را مطالعه کنید.

طراحی حامل‌های الهام‌گرفته از ساختار ویروس در حوزه‌های پژوهشی دیگری نیز مطرح است؛ پژوهش ذرات شبه‌ویروسی در درمان HIV نمونه‌ای متفاوت از بررسی ذرات مهندسی‌شده را معرفی می‌کند و نباید آن را همان فناوری نانوکاج دانست.

سؤالات متداول درباره پیشرفتی در حوزه ژن‌درمانی

قفس پروتئینی یا نانوکاج در ژن‌درمانی چیست؟

ساختاری مهندسی‌شده از پروتئین‌هاست که پژوهشگران امکان استفاده از آن برای حمل مواد ژنتیکی به سلول‌ها را بررسی می‌کنند.

آیا این روش ژن‌درمانی اکنون برای بیماران قابل استفاده است؟

پژوهش درباره ساختارهای پروتئینی لزوماً به معنی تأیید ایمنی و اثربخشی آن‌ها در کاربرد درمانی انسانی نیست.

تفاوت حامل ژنتیکی با خود ژن‌درمانی چیست؟

حامل وظیفه انتقال ماده ژنتیکی را دارد؛ هدف، سازوکار اثر و ایمنی درمان به ماده منتقل‌شده و شرایط بیماری نیز وابسته است.