DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72995-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42120418
تاريخ النشر: 2026-05-12
المؤلف: Chun Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق الكيمياء العضوية الاصطناعية
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على تقدم كبير في تخليق الدورات الكبيرة المميزة بالأحماض النووية من خلال عملية الإغلاق الحلقية (RCM) في البيئات المائية. تستخدم هذه الطريقة محفز روثينيوم أنيوني قابل للذوبان في الماء مصمم خصيصًا يظهر توافقًا عاليًا مع علامات أوليغونوكليوتيد المختلفة، بما في ذلك أوليغومرات DNA وRNA، بالإضافة إلى نوع DNA مستقر كيميائيًا. إن التطبيق الناجح لهذا المحفز يمكّن من تحويلات فعالة واستعادة الأحماض النووية، مما يعالج القيود السابقة المتعلقة بعدم توافق محفزات الإغلاق الحلقية مع الأحماض النووية وعمرها القصير في الماء.
لا يعزز هذا التطور فقط إمكانية استخدام RCM في الماء لتوليد مكتبات مشفرة، بل يفتح أيضًا آفاقًا جديدة لتطبيق الأحماض النووية في تطوير الأدوية، لا سيما للأهداف التي يصعب علاجها تقليديًا. تشير النتائج إلى مستقبل واعد لدمج الدورات الكبيرة الاصطناعية في السياقات العلاجية، مما قد يوسع من استخدام أدوية أوليغونوكليوتيد RNA.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدم في تقنيات المكتبات المشفرة جينيًا، لا سيما عرض RNA والمكتبات المشفرة بـ DNA (DEL)، التي تعزز اكتشاف الروابط الشبيهة بالأدوية ذات الألفة العالية لأهداف البروتين. على الرغم من التقدم، فإن التنوع الكيميائي لهذه المكتبات محدود بسبب قيود علامات الأحماض النووية واستخدام الماء كوسيط تفاعل. تعتبر المنهجيات الحالية لتخليق الدورات الكبيرة المشفرة بـ DNA، مثل تشكيل اللاتام من الرأس إلى الذيل وكيمياء النقر المعززة بالنحاس، غير كافية، مما يدفع الباحثين لاستكشاف طرق بديلة مثل تشكيل الثيوإيثر وعملية الإغلاق الحلقية (RCM).
تُبرز RCM كطريقة واعدة لإدخال الهياكل الحلقية في الأوليغواميدات الخطية، مما يساهم في تطوير أدوية كبيرة الحجم. ومع ذلك، واجه تطبيق RCM على المركبات المرتبطة بالأوليغونوكليوتيدات تحديات بسبب تفاعل الأحماض النووية وعدم كفاءة RCM في البيئات المائية. كانت المحاولات السابقة لاستخدام المحفزات القابلة للذوبان في الماء غير ناجحة إلى حد كبير، مما أدى إلى الحاجة إلى محفزات قابلة للذوبان في المواد العضوية في المذيبات المختلطة. تؤكد الورقة على ضرورة وجود محفزات متوافقة مع الأوليغونوكليوتيدات يمكنها أداء RCM بشكل فعال في الماء، حيث إن تحقيق ذلك سيوسع بشكل كبير نطاق تقنيات المكتبات المشفرة ويسهل تخليق أوليغونوكليوتيدات RNA ذات التنوع الهيكلي. يقترح المؤلفون استراتيجية RCM قوية باستخدام محفز مصمم خصيصًا يحافظ على سلامة الأحماض النووية، مما يعزز التنوع الهيكلي والوظيفي لمنصات الاكتشاف المعتمدة على الأحماض النووية.
طرق
في هذا القسم، يشير المؤلفون إلى أن التفاصيل الشاملة المتعلقة بالبيانات الخام، والمنهجيات، والإجراءات، وتسلسلات الأوليغونوكليوتيدات، وخصائص المركبات المستخدمة في الدراسة متاحة في المعلومات التكميلية. تعمل هذه المواد التكميلية على تعزيز الشفافية وقابلية إعادة إنتاج نتائج البحث من خلال تقديم حساب شامل للإطار التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح نتائج البحث. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو الدراسات السابقة لتسليط الضوء على الاتجاهات أو الشذوذات المهمة.
في هذا القسم، قد يبلغ المؤلفون عن مقاييس محددة، مثل المتوسطات، والانحرافات المعيارية، أو قيم p، لدعم ادعاءاتهم. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي علاقات ملحوظة أو علاقات سببية بين المتغيرات، مما يوفر رؤى حول تداعيات النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لنقل الأدلة التجريبية التي تدعم أهداف البحث واستنتاجاته.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصميم وأداء محفز جديد للإغلاق الحلقية الأنيونية، Ru-1، الذي يظهر مزايا كبيرة لتطبيقات في تقنيات التشفير مثل المكتبات المشفرة بـ DNA (DEL) وعرض RNA. يتضمن المحفز ربيطة كاربين أميني حلقي (CAAC)، مما يعزز تحمله للماء والنيوكليوفيلات، مع تقليل التفاعلات الجانبية مثل هجرة C=C التي يمكن أن تضر بموثوقية حجم الحلقة أثناء عملية الإغلاق الحلقية (RCM). يحسن إدخال علامة سلفونات أنيونية الذوبان في الماء ويمنع تدهور الأوليغونوكليوتيدات، وهي مشكلة شائعة مع المحفزات الكاتيونية. تظهر النتائج التجريبية أن Ru-1 يظهر توافقًا متفوقًا مع النيوكليوزيدات، حيث يحافظ على عوائد RCM حتى في وجود نيوكليوزيدات مختلفة، بينما يظهر المحفز التقليدي AM تدهورًا كبيرًا.
يستكشف المؤلفون أيضًا استقرار Ru-1 في وجود الأوليغونوكليوتيدات، موضحين أنه لا يتسبب في أضرار كبيرة لهيكل الأحماض النووية، على عكس AM، الذي يسبب تدهورًا واسع النطاق. يؤكدون أن Ru-1 يمكنه بشكل فعال تحفيز RCM للأوليفينات المميزة بـ DNA وRNA في ظروف مائية، محققًا عوائد عالية والحفاظ على سلامة المعلومات الجينية. تسهل ظروف التفاعل المحسنة، بما في ذلك استخدام حموضة خفيفة ومخازن محددة، عملية التدوير الناجحة دون المساس بهياكل الأوليغونوكليوتيدات. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات Ru-1 كمحفز قوي لتقدم تقنيات المكتبات المعتمدة على الأحماض النووية، مما يمهد الطريق لتطبيقات أوسع في تصميم الأدوية ومجالات أخرى.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72995-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42120418
Publication Date: 2026-05-12
Author(s): Chun Zhang et al.
Primary Topic: Synthetic Organic Chemistry Methods
Overview
The research highlights a significant advancement in the synthesis of nucleic acid-tagged macrocycles through ring-closing metathesis (RCM) in aqueous environments. This approach utilizes a specially designed anionic, water-soluble ruthenium catalyst that demonstrates high compatibility with various oligonucleotide tags, including DNA and RNA oligomers, as well as a chemically-stabilized DNA variant. The successful application of this catalyst enables efficient conversions and recovery of the nucleic acids, addressing previous limitations related to the incompatibility of olefin metathesis catalysts with nucleic acids and their short lifetimes in water.
This development not only enhances the feasibility of using RCM in water for the generation of encoded libraries but also opens new avenues for the application of nucleic acids in drug development, particularly for traditionally undruggable targets. The findings suggest a promising future for the integration of synthetic macrocycles in therapeutic contexts, potentially expanding the utility of RNA oligonucleotide drugs.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the advancements in genetically-encoded library technologies, particularly RNA-display and DNA-encoded libraries (DEL), which are enhancing the discovery of drug-like ligands with high affinity for protein targets. Despite the progress, the chemical diversity of these libraries is limited by the constraints of nucleic-acid tags and the use of water as a reaction medium. Current methodologies for synthesizing DNA-encoded macrocycles, such as head-to-tail lactam formation and Cu-promoted click chemistry, are insufficient, prompting researchers to explore alternative approaches like thioether formation and ring-closing metathesis (RCM).
RCM is highlighted as a promising method for introducing cyclic structures into linear oligoamides, contributing to the development of macrocyclic drugs. However, the application of RCM to oligonucleotide-conjugates has faced challenges due to the reactivity of nucleic acids and the inefficiency of RCM in aqueous environments. Previous attempts to utilize water-soluble catalysts have been largely unsuccessful, leading to the need for organic-soluble catalysts in mixed solvents. The paper emphasizes the necessity for oligonucleotide-compatible catalysts that can effectively perform RCM in water, as achieving this would significantly broaden the scope of encoded library technologies and facilitate the synthesis of structurally diverse RNA oligonucleotides. The authors propose a robust RCM strategy utilizing a specially designed catalyst that maintains nucleic acid integrity, thereby enhancing the structural and functional diversity of nucleic acid-based discovery platforms.
Methods
In this section, the authors indicate that comprehensive details regarding the raw data, methodologies, procedures, oligonucleotide sequences, and the characterization of compounds utilized in the study are provided in the Supplementary Information. This supplementary material serves to enhance the transparency and reproducibility of the research findings by offering a thorough account of the experimental framework and analytical techniques employed.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables that illustrate the outcomes of the research. The results are often compared against the hypotheses or previous studies to highlight significant trends or anomalies.
In this section, the authors may report specific metrics, such as means, standard deviations, or p-values, to substantiate their claims. Additionally, any observed correlations or causal relationships between variables are discussed, providing insights into the implications of the findings. Overall, this section serves to convey the empirical evidence that supports the research objectives and conclusions.
Discussion
In this section, the authors discuss the design and performance of a novel anionic metathesis catalyst, Ru-1, which demonstrates significant advantages for applications in encoding technologies such as DNA-encoded libraries (DEL) and RNA display. The catalyst incorporates a cyclic alkylamino carbene (CAAC) ligand, enhancing its tolerance to water and nucleophiles, while minimizing side reactions like C=C migration that can compromise ring size fidelity during ring-closing metathesis (RCM). The incorporation of an anionic sulfonate tag improves solubility in water and prevents the degradation of oligonucleotides, a common issue with cationic catalysts. Experimental results show that Ru-1 exhibits superior compatibility with nucleosides, maintaining RCM yields even in the presence of various nucleosides, while the traditional catalyst AM shows significant degradation.
The authors further explore the stability of Ru-1 in the presence of oligonucleotides, demonstrating that it does not induce significant damage to the nucleic acid backbone, unlike AM, which causes extensive degradation. They confirm that Ru-1 can effectively catalyze RCM of DNA- and RNA-tagged olefins in aqueous conditions, achieving high yields and preserving the integrity of the genetic information. The optimized reaction conditions, including the use of mild acidity and specific buffers, facilitate successful macrocyclization without compromising the oligonucleotide structures. Overall, the findings underscore the potential of Ru-1 as a robust catalyst for advancing nucleic acid-based library technologies, paving the way for broader applications in drug design and other fields.