Peter G. Schultz

Química combinatoria y evolución molecular

Gran parte del trabajo de Schultz consiste en encontrar maneras de realizar numerosos experimentos similares simultáneamente, con diversos compuestos. Es uno de los principales pioneros en química combinatoria, bibliotecas moleculares seleccionables y química de alto rendimiento.

Sus intereses son muy variados, con aplicaciones en áreas tan diversas como mecanismos catalíticos, especialización celular y otros procesos biológicos complejos (normalmente estudiados por biólogos, no por químicos), fotoquímica básica, sondas biofísicas de todo tipo (desde RMN hasta emisión de positrones) y ciencia de materiales de estado sólido.

Al principio de su carrera, Schultz demostró que la diversidad molecular natural del sistema inmunitario podía dirigirse para generar anticuerpos catalíticos. Este método permitió el desarrollo posterior de muchos catalizadores selectivos con actividad enzimática para reacciones que abarcan desde la transferencia de acilo y reacciones redox hasta reacciones pericíclicas y de metalación. Aunque su actividad catalítica rara vez es lo suficientemente fuerte como para resultar útil en la práctica, los anticuerpos catalíticos han aportado nuevos e importantes conocimientos sobre la biocatálisis, la plasticidad estructural de las proteínas, la evolución de la función bioquímica y el propio sistema inmunitario.

Posteriormente, Schultz aplicó la diversidad molecular —la estrategia de crear un gran conjunto de moléculas diferentes, junto con un método para seleccionar e identificar aquellas que cumplen la función deseada— a diversos problemas en química, biología y ciencia de los materiales. Junto con Richard Lerner, fue uno de los actores clave en el desarrollo de las bibliotecas de fagos y los chips de bibliotecas de superficie de Affymetrix.

Para bioensayos de alto rendimiento que requieren compuestos de prueba libremente solubles, utiliza sistemas microrrobóticos de manipulación de fluidos, adaptados para placas de cultivo celular de 1536 micropocillos, para tratar por separado colonias celulares muy pequeñas con grandes cantidades (cientos de miles) de compuestos diferentes. Mediante estos diversos enfoques experimentales combinatorios y de alto rendimiento, Schultz ha identificado materiales con propiedades ópticas, electrónicas y catalíticas novedosas; además, proteínas y moléculas pequeñas que controlan procesos biológicos importantes como el envejecimiento, el cáncer, la autoinmunidad y la diferenciación de células madre, así como su reversión a la pluripotencia.

Ampliando el código genético

Schultz ha sido pionero en un método para añadir nuevos componentes básicos, más allá de los veinte aminoácidos comunes, al código genético de organismos procariotas y eucariotas. Esto se logra mediante el cribado de bibliotecas de aminoacil ARNt sintetasa mutantes para identificar mutantes que cargan codón sin sentido de ARNt con el aminoácido no natural deseado. El organismo que expresa dicha sintetasa puede ser programado genéticamente para incorporar el aminoácido no natural en una proteína deseada de la manera habitual, con el codón sin sentido codificando ahora para el aminoácido no natural.

Normalmente, el aminoácido no natural debe sintetizarse en el laboratorio y suministrarse al organismo añadiéndolo a su medio de cultivo. El aminoácido no natural también debe poder atravesar la membrana celular del organismo e ingresar a su interior. Se han codificado genéticamente más de 70 aminoácidos no naturales en bacterias, levaduras y células de mamíferos, incluyendo aminoácidos fotorreactivos, químicamente reactivos, fluorescentes, con actividad de espín, sulfatados, prefosforilados y con capacidad de unión a metales.

Esta tecnología permite a los químicos investigar y modificar las propiedades de las proteínas, tanto in vitro como in vivo, mediante la introducción de nuevos grupos químicos sintetizados en laboratorio, específicamente en cualquier sitio de la proteína de interés. Se ha generado un organismo bacteriano que biosintetiza un aminoácido novedoso, previamente no natural (p-aminofenilalanina), a partir de fuentes de carbono básicas e incluye este aminoácido en su código genético. Este es el primer ejemplo de la creación de un organismo autónomo de veintiún aminoácidos.

Información genética no natural

El grupo de Schultz ha creado recientemente bacterias cuyos cromosomas incluyen bases de ADN no naturales, y bacterias cuyos cromosomas son híbridos que incluyen tanto ARN como ADN.

Origen de las mitocondrias

Para investigar en detalle la hipótesis tradicionalmente aceptada de que las mitocondrias se originaron cuando bacterias independientes capaces de metabolismo respiratorio (dependiente del oxígeno) se asentaron dentro de células huésped que previamente solo habían sido capaces de fermentación (metabolismo sin utilizar oxígeno), y evolucionaron para establecer una relación simbiótica con ellas,

El grupo de Schultz ha creado bacterias capaces de sobrevivir dentro de las células de levadura y mantener una relación simbiótica con las células de levadura huésped mediante la realización de reacciones que las células de levadura no pueden catalizar sin las bacterias.

Uno de los objetivos de este trabajo es cultivar los híbridos de levadura-bacteria y ver si el genoma bacteriano evoluciona para aumentar los beneficios mutuos de sus interacciones químicas con las células huésped, como ha sucedido con las mitocondrias a lo largo del tiempo.

Biblioteca de reposicionamiento de fármacos ReFRAME

Schultz y su equipo en el Instituto Calibr-Skaggs para Medicamentos Innovadores reconocieron que la diversidad química y los perfiles de seguridad conocidos de los fármacos previamente probados en humanos los hacen valiosos para explorar otras posibles dianas terapéuticas, además de su uso original. Esta idea de "reposicionamiento de fármacos" es una estrategia atractiva para avanzar un fármaco determinado con menos tiempo y recursos, desde su candidatura hasta su aplicación clínica, y condujo a la creación de la biblioteca de reposicionamiento de fármacos ReFRAME (Reposicionamiento, Rescate Enfocado y Química Médica Acelerada).

ReFRAME ofrece un cribado de reposicionamiento de fármacos de acceso abierto para alrededor de 13.000 compuestos, casi todos ellos moléculas pequeñas que han alcanzado el desarrollo clínico o han sido objeto de una caracterización preclínica significativa.

La biblioteca se creó combinando tres bases de datos comerciales de medicamentos ampliamente utilizadas (Clarivate Integrity, GVK Excelra GoStar y Citeline Pharmaprojects) junto con la búsqueda de patentes de moléculas pequeñas administradas en humanos. Uno de los primeros grandes éxitos de la biblioteca examinó su colección contra Cryptosporidium spp., una de las principales causas de diarrea infantil en los países en desarrollo. La biblioteca encontró dos compuestos (VB-201 y uno estructuralmente relacionado) análogo de ASP-7962) previamente probado en humanos para otros usos terapéuticos que posteriormente demostró ser eficaz en modelos animales de la infección, proporcionando nuevos candidatos.