Discovery of P1-P2 depeptidized boronic acid based Plasmodium falciparum SUB1 inhibitor

मलेरिया एक निरंतर पीछा करने वाला परजीवी है जो मानव लाल रक्त कोशिकाओं के भीतर छिप जाता है और तब तक अपनी संख्या बढ़ाता रहता है जब तक कि वह फटकर नई कोशिकाओं को संक्रमित करने के लिए बाहर न निकल जाए। यह पलायन, या 'एग्रेस' (egress), परजीवी के जीवन चक्र का एक महत्वपूर्ण क्षण है, और यह एक विशिष्ट आणविक उपकरण पर निर्भर करता है: एक एंजाइम जिसे SUB1 कहा जाता है। SUB1 को उन विशेष कैंचियों के रूप में समझें जिनका उपयोग परजीवी को उन झिल्लियों को काटने के लिए करना चाहिए जो उसे बंदी बनाए हुए हैं। यदि ये कैंची जाम या टूट जाती हैं, तो परजीवी बच नहीं पाएगा, फैल नहीं पाएगा और अंततः मर जाएगा। क्योंकि यह एंजाइम परजीवी के जीवित रहने के लिए आवश्यक है लेकिन मानव एंजाइमों से भिन्न दिखता है, इसलिए यह नई दवाओं के लिए एक आशाजनक लक्ष्य प्रदान करता है। चुनौती वैज्ञानिकों के सामने यह थी कि एक ऐसा ड्रग (दवा) कैसे बनाया जाए जो मानव मेजबान को नुकसान पहुँचाए बिना इन कैंचियों को प्रभावी ढंग से जाम कर सके या बहुत जटिल न हो जिसे शरीर अवशोषित कर सके।

कुछ समय से, शोधकर्ता जानते थे कि कुछ रासायनिक संरचनाएं जिन्हें पेप्टाइदिक बोरोनिक एसिड कहा जाता है, इस एंजाइम के लिए शक्तिशाली अवरोधक (inhibitors) या स्टॉपर के रूप में कार्य कर सकती हैं। ये अणु उन प्राकृतिक प्रोटीनों की नकल करते हैं जिन्हें एंजाइम आमतौर पर काटता है, जिससे वे सक्रिय स्थल (active site) से मजबूती से जुड़ जाते हैं और इसके कार्य को रोक देते हैं। हालाँकि, ये शुरुआती अवरोधक अमीनो एसिड की लंबी श्रृंखलाओं की तरह बने थे, जिससे वे अत्यधिक "पेप्टाइदिक" थे। हालांकि वे टेस्ट ट्यूब में प्रभावी थे, लेकिन उनकी पेप्टाइदिक प्रकृति ने उन्हें दवा के रूप में उपयोग करना कठिन बना दिया; उन्हें कोशिका झिल्लियों से गुजरने में संघर्ष करना पड़ता था और वे शरीर में अक्सर अस्थिर रहते थे। नए शोध का लक्ष्य इन अणुओं को सरल बनाना था, उनके जटिल श्रृंखला जैसे हिस्सों को हटाते हुए भी उस मुख्य तंत्र को बनाए रखना जो एंजाइम को रोकता है।

लतविया, यूनाइटेड किंगडम और संयुक्त राज्य अमेरिका के विभिन्न संस्थानों में काम करने वाली वैज्ञानिकों की एक टीम ने इन अवरोधकों को फिर से डिजाइन करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एंजाइम की त्रि-आयामी संरचना और इसमें सबसे अच्छे मौजूदा अवरोधकों के फिट होने के तरीके को देखकर शुरुआत की। कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग करते हुए, उन्हें एहसास हुआ कि अवरोधक का एक विशिष्ट खंड, जिसमें दो अमीनो एसिड इकाइयाँ शामिल थीं, एंजाइम के सक्रिय स्थल के साथ महत्वपूर्ण संपर्क नहीं बना रहा था। इस अवलोकन ने सुझाव दिया कि इस हिस्से को हटाया जा सकता था और इसे बिना बंधन क्षमता खोए एक बहुत ही सरल, रिंग-नुमा संरचना से बदला जा सकता था। उन्होंने दो-अमीनो-एसिड खंड को बेंजीन रिंग से जुड़े बोरोनिक एसिड समूह वाले एक कोर (core) से बदल दिया, जिससे एक "डी-पेप्टाइडाइज्ड" (depeptidized) संस्करण बना जो छोटा और संभावित रूप से अधिक 'ड्रग-लाइक' (drug-like) था।

शोधकर्ताओं ने फिर इन नए, सरल अणुओं का संश्लेषण किया और लैब में मलेरिया एंजाइम के विरुद्ध इनका परीक्षण किया। उनकी पहली बड़ी खोज यह थी कि बेंजीन रिंग पर एक विशिष्ट रासायनिक समूह की स्थिति अत्यंत महत्वपूर्ण थी। जब उन्होंने रिंग के मध्य में एक कार्बोक्सिलिक एसिड समूह जोड़ा, तो वह अणु एक उल्लेखनीय रूप से शक्तिशाली अवरोधक बन गया। इस विशिष्ट संस्करण ने, जिसे उन्होंने कंपाउंड 3a नाम दिया, एंजाइम को काम करने से रोकने के लिए अत्यंत कम सांद्रता (concentration) की आवश्यकता होती है, जिसे प्रभावी होने के लिए केवल लगभग दस नैनोग्राम प्रति मिलीलीटर की आवश्यकता होती है। यह बिना एसिड समूह वाले सरल संस्करण की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार था। टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से निर्धारित किया कि यह सुधार इसलिए हुआ क्योंकि एसिड समूह ने एंजाइम के एक विशिष्ट भाग के साथ एक मजबूत विद्युत आकर्षण बनाया, जिससे अवरोधक प्रभावी रूप से अपनी जगह पर लॉक हो गया।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष वास्तविक दुनिया की दवाओं में बदल सकें, टीम ने यह पता लगाया कि क्या वे कार्बोक्सिलिक एसिड को अन्य रासायनिक समूहों से बदल सकते हैं जो समान व्यवहार कर सकते हैं या बेहतर गुण रख सकते हैं। उन्होंने आकार और चार्ज (charge) की नकल करने वाले विभिन्न विकल्पों सहित कई अन्य चीजों का परीक्षण किया। एक विशेष प्रतिस्थापन, एक N-एसिलसल्फोनामाइड (N-acylsulfonamide) समूह, मूल एसिड के लगभग उतना ही प्रभावी साबित हुआ, जिसने एंजाइम के विरुद्ध उच्च क्षमता बनाए रखी। हालाँकि, एसिड को अन्य संरचनाओं से बदलने के अन्य प्रयासों, जैसे कि रिंग को फुरान (furan) में बदलना या रिंग पर एसिड समूह को अलग स्थान पर ले जाना, के परिणामस्वरूप ऐसे अणु मिले जो एंजाइम को पूरी तरह से रोकने में विफल रहे। इससे शोधकर्ताओं को पता चला कि एसिड समूह की विशिष्ट ज्यामिति और रासायनिक प्रकृति इस प्रकार के अवरोधक के लिए गैर-परक्राम्य (non-negotiable) थी।

यद्यपि नए अवरोधक टेस्ट ट्यूब में एंजाइम को रोकने में उत्कृष्ट थे, लेकिन कहानी जटिल हो गई जब शोधकर्ताओं ने मानव लाल रक्त कोशिकाओं में बढ़ते जीवित मलेरिया परजीवियों पर इनका परीक्षण किया। इन सेलुलर एसेज़ (cellular assays) में, सर्वश्रेष्ठ अवरोधकों ने गतिविधि दिखाई, लेकिन वे टेस्ट ट्यूब की तुलना में बहुत कमजोर थे, जिन्हें परजीवी की वृद्धि को धीमा करने के लिए लो माइक्रोमोलर (low micromolar) रेंज की सांद्रता की आवश्यकता थी। शोधकर्ताओं को संदेह है कि प्रदर्शन में यह गिरावट इसलिए है क्योंकि इन अणुओं को मेजबान कोशिका और स्वयं परजीवी की कई झिल्लियों को पार करके अपने लक्ष्य तक पहुँचने में कठिनाई होती है। एंजाइम परजीवी के भीतर एक विशिष्ट कम्पार्टमेंट में स्थित है जिसे एक्सोनिम (exoneme) कहा जाता है, और नए, छोटे अणु शायद जैविक बाधाओं को कुशलतापूर्वक पार करने में सक्षम नहीं हैं ताकि वे परजीवी के निकलने से पहले एंजाइम तक पहुँच सकें।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि पेप्टाइड श्रृंखला को हटाकर अवरोधक को सरल बनाने की रणनीति एक अत्यधिक शक्तिशाली एंजाइम ब्लॉकर बनाने में सफल रही, लेकिन एक उपयोगी दवा बनने की यात्रा अभी पूरी नहीं हुई है। टीम ने प्रमाणित किया है कि एक बेंजीन-बोरोनिक एसिड कोर प्रभावी रूप से मलेरिया एंजाइम को लक्षित कर सकता है, और उन्होंने उन सटीक रासायनिक विशेषताओं की पहचान की है जो इसे मजबूती से बांधने के लिए आवश्यक हैं। एक डिश में एंजाइम को रोकने और एक कोशिका में परजीवी को रोकने के बीच का अंतर यह सुझाव देता है कि जीवित कोशिका के भीतर दवा को प्रवेश कराने में मदद करने के लिए और अधिक संशोधनों की आवश्यकता है। यह कार्य मलेरिया उपचार की अगली पीढ़ी के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है, जो दिखाता है कि कौन से रासायनिक परिवर्तन क्षमता में सुधार करते हैं और किन पर जीवित कोशिका के भीतर जाने की चुनौतियों को दूर करने के लिए शोध की आवश्यकता है।