Долгоиграющий фермент разрушает кокаин. Химия.

Помимо того, что кокаин оказывает разрушительное воздействие на организм, этот наркотик опасен тем, что не существует антидота от передозировки кокаином, равно как и препарата, который мог бы бороться с зависимостью, непосредственно нейтрализуя действие кокаина.

 В кровеносной системе кокаин можно разрушить в результате действия бактериального фермента – кокаинэстеразы.

Однако в организме этот фермент неустойчив и теряет активность слишком быстро, для того, чтобы выступать в качестве эффективного терапевтического препарата. Исследователи описывают, что компьютерное моделирование позволило им изменить строение фермента, одновременно увеличив его устойчивость и каталитическую эффективность.

Кокаинэстераза (cocaine esterase), фермент, обычно выделяемый из бактерий, живущих в почве около деревьев коки, способствует высокоэффективному гидролизу кокаина. Однако, при температуре тела человека период полуразрушения фермента составляет всего 12 минут, что, как отмечает Чан-Гуо Жань (Chang-Guo Zhan) из Университета Кентукки, весьма осложняет практическое применение этого фермента.

Ранее Жань описал две мутации первичной структуры кокаинэстаразы, позволяющие увеличить время полураспада фермента в организме человека до шести часов – времени, достаточного для лечения, например, передозировки, однако, по словам Жаня, этого еще недостаточно для лечения зависимости. Для решения этой задачи необходимо, чтобы фермент оставался в кровеносной системе в течение дней или недель, блокируя действие кокаина таким образом, чтобы наркозависимый мог справиться с пагубной привычкой. Чтобы найти, какая еще модификация необходима для того, чтобы продлить время жизни кокаинэстеразы в организме, исследователи решили использовать компьютерное моделирование.

На первом этапе исследователи определили, где находится «ахиллесова пята» фермента, обуславливающая потерю его активности при увеличении температуры. Для этого было смоделировано изменение строения фермента при его нагреве от 10 до 300 K, в рамках которого было найдено, какой фрагмент фермента денатурирует в первую очередь при увеличении температуры. Затем было протестировано, какие изменения в первичной структуре фермента могут стабилизировать этот участок, не меняя при этом свойства активного центра белка-катализатора, необходимые для осуществления им каталитических функций. По завершении такого анализа было предположено, что для выполнения обоих условий необходимо всего два изменения – необходимо, чтобы на уязвимом участке фермента появилось два цистеиновых остатка, способные образовать друг с другом дисульфидную связь. Молекулярная сшивка двух цепей увеличила время полураспада кокаинэстеразы до 100 дней (измерения проводили in vitro), при этом каталитическая активность модифицированного фермента увеличивалась на 150%.

На следующем этапе исследования Жань изучил устойчивость мутированного фермента в системе кровоснабжения мышей. Было обнаружено, что мыши, которым единожды вводился мутированный фермент, сохраняли жизнеспособность после введения мгновенно смертельной дозы кокаина в среднем в течение 94 часов.