Schutz vor Nerve Gas
Schutz gegen Giftgas-Anschlag ist ein wesentlicher Bestandteil des Abwehrsystems in vielen Ländern auf der ganzen Welt . Nervengase werden von Armeen und terroristischer Organisationen verwendet werden, und eine Bedrohung für die sowohl das Militär und Zivilbevölkerung , sondern bestehende Medikamentenlösungen gegen sie haben die Effizienz beschränkt.
Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern am Weizmann Institut gelang die Entwicklung eines Enzyms, wie organische Phosphornervenkampfstoffeeffektiv vor Schäden an Nerven und Muskeln verursacht wird zusammenbricht. Ihre Ergebnisse wurden vor kurzem in der Fachzeitschrift veröffentlicht worden Nature Chemical Biology .Neuere Experimente in einem US-Militärlabor( USAMRICD ) haben gezeigt, dass die Injektion eine relativ kleine Menge dieses Enzyms in Tiere schützt vor bestimmten Arten von Nervenkampfstoffen , für die aktuellen Behandlungen zeigen begrenzte Wirksamkeit .
Nervengifte stören die chemischen Botschaften zwischen Nerven- und Muskelzellen geschickt , führen zum Verlust der Muskelkontrolle und letztlich zum Tod durch Ersticken . Nervengifte stören die Aktivität der Acetylcholinesterase, die für den Abbau des Boten verantwortliche Enzym - Acetylcholin. Als Ergebnis setzt Acetylcholin , um seine Wirkung auszuüben , was zu einer konstanten Muskelkontraktion im ganzen Körper.
Mehrere Medikamente gibt , die verwendet werden , um Fälle von Nervengas -Vergiftung zu behandeln. Obwohl diese Medikamente sind etwas wirksam bei kleinen Dosen des Nervengas ausgesetzt sind, keinen Schutz gegen Hochdosis- Exposition; sie sind nicht wirksam gegen alle Arten von Nervenkampfstoffen ; oder sie können zu schweren Nebenwirkungen . Sie sind auch nicht in der Lage, zu verhindern oder zu reparieren zerebralen und motorischen Nervenschädendurch das Nervengift verursacht .
Eine ideale Lösung für das Problem ist , Enzyme zu verwenden - Proteine, die chemische Reaktionen beschleunigen - zu erfassen und zu brechen das Nervengas , bevor es die Chance, auf die Acetylcholinesterase zu binden, wodurch eine Beschädigung verhindert wird . Das größte Hindernis vor der Umsetzung dieser Idee ist aber , dass Nervenkampfstoffe sind künstliche Materialien und daher hat die Evolution nicht entwickelt natürliche Enzyme, die für die Durchführung dieser Aufgabe in der Lage sind .
Wissenschaftler aus aller Welt haben bereits bei der Identifizierung von Enzymen, die in der Lage zu brechen ähnliche Materialien sind erfolgreich, aber diese Enzyme wurden durch geringe Effizienz gekennzeichnet . Große Mengen des Enzyms wurden daher um zum Abbau der Nervengas , wodurch ihre Verwendung unpraktisch erforderlich.
Dies ist, wo Prof. Dan Tawfik der Abteilung Biologische Chemie am Weizmann Institut ins Spiel. Tawfik Gruppe entwickelte eine spezielle Methode, um künstlich herbei " natürliche Selektion " von Enzymen in einem Reagenzglas , so dass sie zu konstruieren "maßgeschneiderte " Enzyme.
Das Verfahren beruht auf der Einführung vieler Mutationen an ein Enzym , und Abtasten der Vielzahl von mutierten Versionen, um diejenigen , die eine verbesserte Effizienz aufweisen identifizieren erstellt wurden. Diese verbesserten Enzymen dann wiederholt durchlaufen weitere Runden von Mutationen und Selektion für höhere Effizienz . In früheren Studien zeigten Tawfik , daß dieses Verfahren kann die Effizienz der Enzyme, die durch Faktoren von Hunderten und sogar Tausenden verbessern.
Für die aktuelle Aufgabe , Tawfik ausgewählt ein Enzym, das wurde ausgiebig in seinem Labor , als PON1 bekannt sucht. Die Hauptaufgabe dieses Enzyms , natürlich im menschlichen Körper gefunden wird, ist es, brechen die Produkte von oxidierten Fetten, die an den Gefäßwänden zu akkumulieren , wodurch verhindert Atherosklerose . Aber PON1 scheint ein Bit eines " moonlighter " sein, wie es wurde auch gefunden , dass sie Verbindungen der Familie der Nervengifte gehör verschlechtern.
Da diese Tätigkeit nicht vollständig entwickelt und durch natürliche Selektion entwickelt , bleibt jedoch seine Effizienz bei der Durchführung der Aufgabe sehr gering. Aber mit Hilfe der Methode der gerichteten Evolution Wissenschaftler hoffen, dass sie in der Lage, diese Zufalls " Schwarzarbeit " Aktivität in PON1 Haupt " Job ", die schneller durchgeführt werden würde und effizienter als bisher zu entwickeln.
In der ersten Phase , Tawfik und sein Team , einschließlich wissenschaftlicher Mitarbeiter Dr. Moshe Goldsmith und Postdoktorand Dr. Rinkoo Devi Gupta, induziert eine Reihe von Mutationen in PON1 - einige zufällige und andere an Schlüsselstellen auf dem Enzym gerichtet . Um die effektivste PON1 Mutanten identifizieren , trat die Wissenschaftler gemeinsam mit Yacov Ashani der Abteilung Strukturelle Biologie .
Die Methode, die die Wissenschaftler entwickelt imitiert , was passiert im Körper unter Einwirkung von Nervenkampfstoffe: Sie setzen die Acetylcholinesterase in einem Reagenzglas mit einer bestimmten Mutante PON1 Enzym, das sie wollten , um zu testen , und fügte hinzu, eine kleine Menge von Nervengas , um sie . In Fällen, wo der Acetylcholinesterase weiterhin richtig funktionieren kann, könnte gefolgert werden, dass PON1 schnell abgebaut die Nervengas , bevor es in der Lage, eine Beschädigung der Acetylcholinesterase verursachen.
Nach mehreren Runden von Scannen, gelang es den Wissenschaftlern in indentifying aktiven Enzym-Mutanten , die in der Lage zum Abbau der Nervenkampfstoffe Soman und Cyclosarin effektiv , bevor ein Schaden an den Acetylcholinesterase verursacht sind . Diese mutierten Enzyme wurden strukturell von einem Team von Wissenschaftlern der Abteilung Strukturelle Biologie , die Profs inbegriffen analysiert. Joel Sussman und Israel Silman und Forschungsstudent Moshe Ben- David . Weitere Experimente haben gezeigt, dass, wenn diese Enzyme wurden als vorbeugende Behandlung vor der Exponierung , lieferte sie Tiere nahezu vollständigen Schutz gegen diese zwei Arten von Nervenkampfstoffen , auch wenn sie freigelegt , um ein relativ hohes Niveau .
Die Wissenschaftler planen , den Umfang weiter ausbauen und entwickeln vorbeugende Behandlung , die Schutz vor allen Arten von vorhandenen Nervengifte . Sie versuchen auch , um Enzyme mit einer ausreichend hohen Effizienz zu entwickeln, um in der Lage, sehr schnell brechen das Nervengas , so dass sie verwendet werden, um die tödlichen Auswirkungen von Nervenkampfstoffen durch Injektion unmittelbar nach der Belichtung zu verhindern.
Hinweise:
Prof. Dan Tawfik Forschung wird von der Helen und Martin Kimmel Preis für innovative Untersuchung unterstützt; die Willner Familie Leadership Institute für das Weizmann Institute of Science , die Sassoon und Marjorie Peress Philanthropische Fonds; Miel de Botton Aynsley , Großbritannien; Samy Cohn , Brasilien ; Mario Fleck, Brasilien ; Yossie Hollander , Israel ; und Roberto und Renata Ruhman , Brazil.Prof . Tawfik ist Inhaber des Nella und Leon Benoziyo Lehrstuhls.
Quelle:
Yivsam Asgad
Weizmann Institut