Los químicos del MIT han producido verticilina A en el laboratorio por primera vez. Esta molécula fúngica fue identificada hace más de 50 años y ha llamado la atención por su potencial como agente anticancerígeno.
La verticilina A es notoriamente difícil de producir debido a su intrincada arquitectura química. Incluso en comparación con compuestos estrechamente relacionados, su síntesis resultó mucho más difícil, a pesar de diferir sólo en un par de átomos.
«Apreciamos mucho mejor cómo esos cambios estructurales sutiles pueden aumentar significativamente el desafío sintético», dice Mohammad Movassaghi, profesor de química del MIT. «Ahora tenemos la tecnología que nos permite no sólo acceder a ellos por primera vez, más de 50 años después de que fueron aislados, sino que también podemos crear muchas variantes diseñadas, que pueden permitir estudios más detallados».
En pruebas de laboratorio con células cancerosas humanas, un derivado de la verticilina A se destacó frente a un cáncer cerebral pediátrico conocido como glioma difuso de la línea media. Los investigadores enfatizan que se necesitan pruebas adicionales para evaluar si eventualmente podría ser útil en la clínica.
Movassaghi y Jun Qi, profesor asociado de medicina en el Dana-Farber Cancer Institute/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center y la Escuela de Medicina de Harvard, son los autores principales del estudio, publicado en el Journal of the American Chemical Society. Walker Knauss PhD ’24 es el autor principal del artículo. Xiuqi Wang, químico medicinal y biólogo químico de Dana-Farber, y Mariella Filbin, directora de investigación del Programa de Neurología-Oncología Pediátrica de Dana-Farber/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center, también son autores.
Por qué fue tan difícil producir esta molécula de hongo
Los investigadores informaron por primera vez sobre el aislamiento de verticilina A de hongos en 1970. Los hongos utilizan el compuesto para defenderse de los patógenos. Se ha explorado la verticilina A y moléculas fúngicas similares para determinar su posible actividad anticancerígena y antimicrobiana, pero su complejidad ha dificultado su síntesis.
En 2009, el laboratorio de Movassaghi informó sobre la síntesis de (+)-11,11′-didesoxiverticilina A, un compuesto estrechamente relacionado con la verticilina A. Esa molécula contiene 10 anillos y ocho centros estereogénicos, es decir, átomos de carbono que se conectan cada uno a cuatro grupos químicos diferentes. Esos grupos deben colocarse con la orientación correcta, o estereoquímica, en relación con el resto de la molécula.
Incluso después de ese éxito anterior, la verticilina A permaneció fuera de nuestro alcance. La diferencia clave entre la verticilina A y la (+)-11,11′-didesoxiverticilina A son dos átomos de oxígeno, pero esas adiciones marcaron una diferencia importante en cómo se comporta la molécula durante la síntesis.
«Esos dos oxígenos limitan en gran medida la ventana de oportunidad que se tiene en términos de realizar transformaciones químicas», dice Movassaghi. «Hace que el compuesto sea mucho más frágil, mucho más sensible, de modo que, aunque habíamos tenido años de avances metodológicos, el compuesto siguió planteando un desafío para nosotros».
Repensando la Química Paso a Paso
Ambas versiones de la molécula de verticilina están formadas por dos mitades idénticas que deben conectarse en una estructura llamada dímero. En la síntesis anterior de (+)-11,11′-didesoxiverticilina A, el equipo llevó a cabo la dimerización cerca del final del proceso y luego formó cuatro enlaces cruciales carbono-azufre.
Cuando intentaron aplicar esa misma secuenciación a la verticilina A, no funcionó. La adición de los enlaces carbono-azufre al final del proceso no logró proporcionar la estereoquímica correcta, lo que obligó al equipo a rediseñar todo el orden de los pasos.
«Lo que aprendimos fue que el momento de los eventos es absolutamente crítico. Tuvimos que cambiar significativamente el orden de los eventos que formaron los vínculos», dice Movassaghi.
La nueva síntesis parte de un derivado de aminoácido llamado beta-hidroxitriptófano. A partir de ahí, los investigadores construyen la estructura en etapas, agregando grupos químicos funcionales, incluidos alcoholes, cetonas y amidas, mientras controlan cuidadosamente la estereoquímica en cada paso.
Para guiar ese control, el equipo introdujo un grupo que contenía dos enlaces carbono-azufre y un enlace disulfuro al principio del proceso. Debido a que los disulfuros son sensibles, hubo que «enmascararlos» convirtiéndolos en un par de sulfuros protegidos para que la estructura no se rompiera durante reacciones posteriores. Después de la dimerización se restauraron los grupos que contenían disulfuro.
«Esta dimerización particular realmente destaca en términos de la complejidad de los sustratos que estamos reuniendo, que tienen una gama tan densa de grupos funcionales y estereoquímica», dice Movassaghi.
En total, la ruta recorre 16 pasos desde el material de partida beta-hidroxitriptófano hasta llegar a la verticilina A.
Pruebas tempranas contra el glioma difuso de la línea media
Una vez que la verticilina A finalmente esté disponible, los investigadores también podrían ajustar el enfoque para crear derivados. Un equipo de Dana-Farber probó estas moléculas contra varios tipos de glioma difuso de línea media (DMG), un tumor cerebral poco común con opciones de tratamiento limitadas.
Los efectos más fuertes aparecieron en líneas celulares DMG que producen altos niveles de una proteína llamada EZHIP. EZHIP influye en la metilación del ADN y anteriormente se ha señalado como un posible objetivo farmacológico para la DMG.
«La identificación de los objetivos potenciales de estos compuestos desempeñará un papel fundamental para comprender mejor su mecanismo de acción y, lo que es más importante, ayudará a optimizar los compuestos del laboratorio Movassaghi para que sean más específicos para el desarrollo de nuevas terapias», dice Qi.
Los derivados de verticilina parecen afectar a EZHIP de una manera que aumenta la metilación del ADN, lo que empuja a las células cancerosas a una muerte celular programada. Las moléculas más efectivas en estos experimentos fueron la (+)-11,11′-didesoxiverticilina A N-sulfonilada y la verticilina A N-sulfonilada. La N-sulfonilación, la adición de un grupo funcional que contiene azufre y oxígeno, mejora la estabilidad molecular.
«El producto natural en sí no es el más potente, pero es la síntesis del producto natural lo que nos llevó a un punto en el que podemos producir estos derivados y estudiarlos», dice Movassaghi.
A continuación, los investigadores de Dana-Farber planean confirmar aún más cómo funcionan los derivados de la verticilina y esperan probar los compuestos en modelos animales de cánceres cerebrales pediátricos.
«Los compuestos naturales han sido recursos valiosos para el descubrimiento de fármacos y evaluaremos plenamente el potencial terapéutico de estas moléculas integrando nuestra experiencia en química, biología química, biología del cáncer y atención al paciente. También hemos perfilado nuestras moléculas principales en más de 800 líneas celulares cancerosas y podremos comprender sus funciones de manera más amplia en otros cánceres», afirma Qi.
La investigación fue financiada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales, la Fundación de Investigación del Ependimoma y la Fundación Curing Kids Cancer.