Introduzione
Dopo l'ottenimento della sequenza completa del genoma umano, l'atte del genoma umano, l'atteroteina della quale il DNA fornisce il codice. Benché, tra la sorpresa di molti, risultino esserci solo 40.000 geni, questi possono rappresentare il codice di alcune centinaia di migliaia di proteine. Lo studio di tali proteine, la loro struttura e come esse interagiscono formano l'argomento di studio del settore che gode al momento di grande popolarità e cioè la "proteinomia", lo studio della proteina. Enormi risorse vengono impiegate nella costruzione di apparecchiature quali i sincrotroni per spiegare la struttura della proteina. Ma a che cosa ci servono le informazioni sulla struttura della proteina?
La risposta è nel nostro bisogno di scoprire piccole molecole che possano interferire con l'azione delle proteine oppure le loro interazioni: in particolare tale conoscenza rappresenterà il punto di partenza per una progettazione razionale dei farmaci. In ogni caso, benché ci siano alcune decine di migliaia di geni e alcune centinaia di migliaia di proteine, ci sono a livello potenziale miliardi di piccole molecole che hanno i requisiti indispensabili di proprietà farmaco-simili: una gamma corretta di peso molecolare, solubilità, stabilità ed assenza di gruppi tossici.
E' decisamente possibile esaminare una serie di molecole al fine di verificarne una potenziale attività come farmaco utilizzando tecniche di calcolo: la cosiddetta ricerca virtuale o ricerca in silico. Semplicemente ogni piccola molecola candidata viene provata per verificarne la compatibilità con il legame della proteina-bersaglio e viene calcolata la forza del legame. Più forte è il legame della piccola molecola con la proteina-bersaglio, migliore è il suo potenziale quale farmaco od inibitore. Un forte legame permette bassi dosaggi.
Questo tipo di ricerca viene condotta di routine dalle società farmaceutiche che possono esaminare in questo modo circa un milione di composti, ivi compresi quelli che sono già presenti nelle loro raccolte e nuove molecole virtuali che devono ancora essere sintetizzate. Tale lavoro, d'altro canto, prende in considerazione solo una piccola parte dell' "universo della chimica", cioè dell'insieme delle molecole che in linea di principio possono venire provate. Facendo ricorso ad un calcolo massicciamente distribuito, quale è la tecnologia del salvaschermo, siamo stati in grado di interessare più di un milione di personal computer (di cui alcune centinaia in Italia) assicurando così l'esame di miliardi di potenziali farmaci in relazione a proteine coinvolte nel cancro.

La tecnologia del salvaschermo

Il nostro progetto è una derivazione del famoso progetto SETI (Ricerca dell'intelligenza extraterrestre). In quel lavoro segnali registrati nello spazio interstellare vengono distribuiti a personal computer tramite Internet. Mentre è in pausa e sarebbe, quindi, in funzione il suo salvaschermo, in genere delle specie di tostapane volanti oppure una serie di fotografie di gatti, un salvaschermo creato ad arte esegue dei calcoli per verificare se i segnali siano o meno casuali e quindi, per farla breve, per capire se ET abbia o meno telefonato a casa.
Fino ad oggi non lo ha fatto.
Nella nostra versione per la ricerca sul cancro, il salvaschermo mostra la proteina-bersaglio e la data molecola che deve essere testata.
Quando si è connessi ad Internet si può partecipare andando all'indirizzo www.ud.com oppure al sito web della nostra facoltà www.chem.ox.ac.uk che fornisce maggiori dettagli sul progetto.
Chiunque si connetta riceve un lotto di 100 molecole da testare. Il test consiste nel provare ogni possibile forma di piccola molecola e far combaciare i punti di legame indicati sul bersaglio con le relative possibilità di legame della piccola molecola.
Questo rappresenta il cosiddetto approccio "farmacoforo", con il quale i possibili legami, quali donatori e riceventi del legame d'idrogeno, vengono messi in corrispondenza, o le aree idrofobe della superficie molecolare vengono viste essere di complemento una all'altra.
Il programma per computer che agisce dietro al salvaschermo è ovviamente limitato sia in riferimento all'uso della memoria che al trasferimento dei dati.
In caso di utenti domestici l'accesso ad Internet è spesso limitato ad alcuni minuti al giorno e quindi il software deve essere in grado di girare in modo produttivo per ore senza accedere alla rete. I lavori vengono mandati ai clienti da un server centrale che li invia e ne riceve i risultati. L'applicazione si ferma appena l'utente interagisce con il proprio PC in modo tale da non risultare invadente. Il software che viene distribuito consiste di due parti: una parte costantemente attiva che comunica con il server in caso di necessità e l'applicazione di calcolo.
Alla figura 1 è riportata un'immagine dell'effettivo salvaschermo.

Il database delle piccole molecole

Il punto di partenza per il database delle piccole molecole farmaco-simili è l'elenco delle molecole disponibili nel catalogo dei fornitori e nelle raccolte combinatorie chimiche pubblicate. Questi elenchi devono essere sfrondati per limitare l'attenzione ai quei composti che hanno caratteristiche farmaco-simili. Tale elenco potrà quindi essere allargato costruendo nuovi derivati tramite lo scambio di gruppi, per esempio H potrebbe essere sostituita con -CH3 o -OH o -Cl. In questo modo si è creata un database di 3,5 miliardi di piccole molecole. Una alla volta, in lotti di 100, le singole molecole vengono testate per verificarne la adattabilità e il legame con il sito di bersaglio. Una funzione valutativa permette di stabilire le molecole che rappresentano un successo, cioè un composto che lega meglio di un limite di soglia prestabilito.

La funzione valutativa

Avendo creato siti favorevoli, la funzione valutativa è in grado di misurare velocemente ed in modo che non dia adito a dubbi quale probabilità ha il legame di risultare forte. Si fa un tentativo per prevedere la libera energia di legame (DG) tra il farmaco potenziale e la proteina in conformità alla seguente formula :

DG = DGO + DGH-legame x NH-legame

+ DGlipo x Nlipo + DGrot x Nrot + E

dove DGO, DGH-legame, DGlipo e DGrot
siano delle costanti (rispettivamente -5.48; -3.34; -0.117 e +2.56).

NH-legame
è il numero di legami d'idrogeno;

Nlipo
è il numero di interazioni lipofile e

Nrot
è il numero di legami avvicendabili congelati nel legante.

Quest'ultimo termine prende in considerazione la perdita di entropia nel legame. Infine E è un'interazione calcolata ed energia torsionale derivata da formule standard di campo di forze.

Proteine-bersaglio

Le prime cinque proteine-bersaglio sono le seguenti:

Proteine RAS che svolgono un ruolo centrale nella crescita cellulare (per la quale non sembrano esserci segnalazioni di alcuna alternativa significativa). E' pensabile che molti inibitori di H-RAS (per i quali vi sono strutture cristalline) inibiscano anche N-RAS e K-RAS. In aggiunta vi sono strutture cristalline per il Farnesil Proteina Transerase (FPT) che "attiva" RAS ed è quindi un bersaglio alternativo. Alla figura 2 viene illustrata la struttura in questione.

Il fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF) si interpone in uno stadio critico dello sviluppo del cancro - la crescita di vasi sanguigni. In linea di principio, possono essere trovati degli inibitori del fattore di crescita endoteliale vascolare o la corrispondente serie di recettori, VEGFr-1 (anche noto come FLT-1) e VEGFr-2 (pure noto come KDR).

Superossido Dismutasi (SOD) sono enzimi essenziali che rimuovono il radicale superossido (O2-). L'inibizione di questi enzimi comporta un danno cellulare da parte dei radicali liberi ed in ultimo la morte della cellula. Gli alti livelli di O2- in alcune forme di cancro (come nelle cellule leucemiche) assicurano un insolito metodo di trattamento inibendo il SOD.

Proteina Tirosina Chinasi (PTK) gioca un ruolo fondamentale nelle vie nervose di trasferimento del segnale e nella deregolamentazione di questa attività comune a molti tipi di cancro. La struttura della tirosina chinasi recettore dell'insulina è stata una delle prime ad essere conosciute ed è un bersaglio potenziale di selettività sconosciuta.

BCR-ABL, una tirosina chinasi che si crede a livello causale coinvolta nella leucemia mieloide cronica.

Risultati iniziali

Nella figura 3 vengono presentate le valutazioni dei risultati di successo rispetto al bersaglio del fattore di crescita endoteliale vascolare. Ci sono quasi 45.000 casi con un punteggio negativo, cosa che indica un forte legame potenziale. Tali elenchi dovranno essere perfezionati facendo ricorso a calcoli più sofisticati ed, infine, i candidati più promettenti dovranno essere sintetizzati e provati nel modo usuale.

Conclusioni

Nei primi sei mesi del progetto più di un milione di personal computer hanno aderito con la messa a disposizione dell'incredibile numero di 50.000 anni di tempo di unità di elaborazione centrali. Vi aderiscono persone in più di 200 paesi, tra cui diverse migliaia in Italia che è posizionata al 10° posto nella graduatoria mondiale.
Ci sono anche due partecipanti della Santa Sede (ampie informazioni statistiche sono disponibili nel sito web di United Devices: www.ud.com).


Uno degli aspetti di quest'iniziativa che colpiscono maggiormente è rappresentato dall'entusiasmo con cui l'opinione pubblica di tutto il mondo ha fatto propria l'idea.
In un momento in cui la crescente consapevolezza del pubblico rispetto alla scienza viene percepito come un problema, la possibilità di mettere a disposizione il tempo del salvaschermo, che è sostanzialmente senza costo, ed avere così un ruolo in un progetto scientifico colpisce decisamente l'animo e richiama attenzione. La generosità del pubblico farà sì con tutta probabilità che questo lavoro divenga uno dei maggiori progetti di calcolo mai intrapresi, mentre la potenza di computer dispiegata rende piccola cosa anche i più grandi supercomputer.

Graham Richards
Facoltà di Chimica dell'Università di Oxford