27
PMC IdRS Présentation de l’aspect moléculaire de la découverte du médicament Jean A. Boutin Gilles Ferry, Olivier Nosjean

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PMCIdRS

Présentation de l’aspect

moléculaire de la découverte du

médicament

Jean A. Boutin

Gilles Ferry, Olivier Nosjean

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PMCIdRS

700 to 1000 m€

Up to 15 000 patients 2~50 m€

~50 people

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PMCIdRS

Un élément peu connu: l’attrition

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PMCIdRS

Target Identification

• Receptor

• Chanel

• Enzyme

• Protein-Protein

interaction

A

C

T

I

O

N

P

L

A

N

• Molecular modelling

• Screening

Drug discovery process

IND

Package

First

administration

to Man

C

L

I

N

I

C

A

L

C

A

N

D

I

D

A

T

E

L

E

A

D

Lead optimisation

• Medicinal Chemistry

• Pharmacology

• Modelisation

• ADMET

• Patent

•Molecular and cellular

Pharmacology

Taget validation Optimisation Stade A Stade B

Target/program

choice

High throughput

Screening:

chemicals

Drug

choice

Clinical stages

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PMCIdRS

Diversity

chemistry

Compound

library

Gene

Cell line

Protein

Assay

development

Assay

automation

HTS

Hit triage

Orthogonal

assays

Biophysics

Structural

biology

Molecular

modeling

12 – 30 months for a discovery program

Les différents secteurs de notre organisation

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PMCIdRS

Chemical neighbour

selection and tests

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

-150 -80 -55 -30 -5 20 45 70 95 120 165

Score 2

Score 1

Score 0

Score -1

Score -2

Seuil manuel

Produits

Assay development

HEK-GLP1 clone 2

lyse : 1h35 (2431)

-14 -13 -12 -11 -10 -9-20

0

20

40

60

80

100

GLP1 (2000cells)

GLP1 (4000cells)

GLP1 (6000cells)

GLP1 (10000cells)

Log [ GLP1 7-36 ] (M)

Eff

et

ag

on

iste

(% f

ull

ag

o)

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

0 8 16 24 32 40 48

Sig

nal

Signal total :

HBSS + BSA

0.1%

Signal non

spécifique :

GLP1(7-36)a

10nM

1 2 3 4 5 6

High throughput screening in its context

Workplan:

Definition, needs

1K

2K

3K4K

5K

6K

7K0

luc+

Neom

ycin

Ampicil l inCMV prom

otor

SV40 promotor

SV

40

pA

pcDNA3.1(+)/LUC+

Cells and/or protein

production

Compound plates

Screnning campaign

NH

OH

OH

NH

O

CH3

CH3

CH3

ClH

OH

NH NH

OH

O

O

diastereoisomere 1 racemique

N

N

N

CH3

N

O

CH3

CH3

O

N

CH3 OH

OH

OH

OH

OOH

O

Hits list

Orthogonal test:

characterization of the main hits.

Biophysical qualification

- 1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0

R U

po

ns

e

T e m p s e n s

- 1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0

R U

po

ns

e

T e m p s e n s

P r o té in e s e u le1 .5 6 µ M3 .1 2 µ M6 .2 5 µ M1 2 .5 µ M2 5 µ M5 0 µ M1 0 0 µ M

- 6 .0 -5 . 5 - 5 .0 - 4 .5 -4 . 0 - 3 .5- 1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0S 7 1 6 1 7 - 1

B O T T O M

T O P

L O G E C 5 0

H IL L S L O P E

E C 5 0

0 .0

1 0 0 . 0

- 4 . 8 9 3

1 .1 8 9

1 .2 8 1 e - 0 0 5

lo g [ S 7 1 6 1 7 -1 ] M

% in

hib

itio

n

Biophysics NMR, X-rays

Not-a-real-compound

Biochemical/cellular assay

Chemical optimisation

(Med Chem)

Step 1Production of the

target

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PMCIdRS

L’Homme

Willy Ronis

Access to biological material from Human origin

Tissues Cells Genome

primo-cultures/cancer cells/

Stem cells

biopsies ADN / mARN

Production

Of human proteins

Functionnal tests

validation & screen

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PMCIdRS

Chemical neighbour

selection and tests

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

-150 -80 -55 -30 -5 20 45 70 95 120 165

Score 2

Score 1

Score 0

Score -1

Score -2

Seuil manuel

Produits

Assay development

HEK-GLP1 clone 2

lyse : 1h35 (2431)

-14 -13 -12 -11 -10 -9-20

0

20

40

60

80

100

GLP1 (2000cells)

GLP1 (4000cells)

GLP1 (6000cells)

GLP1 (10000cells)

Log [ GLP1 7-36 ] (M)

Eff

et

ag

on

iste

(% f

ull

ag

o)

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

0 8 16 24 32 40 48

Sig

nal

Signal total :

HBSS + BSA

0.1%

Signal non

spécifique :

GLP1(7-36)a

10nM

1 2 3 4 5 6

High throughput screening in its context

Workplan:

Definition, needs

1K

2K

3K4K

5K

6K

7K0

luc+

Neom

ycin

Ampicil l inCMV prom

otor

SV40 promotor

SV

40

pA

pcDNA3.1(+)/LUC+

Cells and/or protein

production

Compound plates

Screnning campaign

NH

OH

OH

NH

O

CH3

CH3

CH3

ClH

OH

NH NH

OH

O

O

diastereoisomere 1 racemique

N

N

N

CH3

N

O

CH3

CH3

O

N

CH3 OH

OH

OH

OH

OOH

O

Hits list

Orthogonal test:

characterization of the main hits.

Biophysical qualification

- 1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0

R U

po

ns

e

T e m p s e n s

- 1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0

R U

po

ns

e

T e m p s e n s

P r o té in e s e u le1 .5 6 µ M3 .1 2 µ M6 .2 5 µ M1 2 .5 µ M2 5 µ M5 0 µ M1 0 0 µ M

- 6 .0 -5 . 5 - 5 .0 - 4 .5 -4 . 0 - 3 .5- 1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0S 7 1 6 1 7 - 1

B O T T O M

T O P

L O G E C 5 0

H IL L S L O P E

E C 5 0

0 .0

1 0 0 . 0

- 4 . 8 9 3

1 .1 8 9

1 .2 8 1 e - 0 0 5

lo g [ S 7 1 6 1 7 -1 ] M

% in

hib

itio

n

Biophysics NMR, X-rays

Not-a-real-compound

Biochemical/cellular assay

Chemical optimisation

(Med Chem)

Step 2

Test assesment

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PMCIdRS

Flowchart of HTSBasic

Project Launch

Planning

Assay design

Assay development

Automation

HTSSecondary/Counter screens

Data analysis

IC50 of actives ICR data export

Complementary studies

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS HTS planning

Resource scheduling

Planning

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

Excel spreadsheet for planning of team members agenda

Next slot: week 16

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

Update: week 27

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PMCIdRS Target classes

Membrane Proteins

TyrK-R

Ionchannels

Soluble Enzymes

Intracellular Proteins

Transporters

GPCR

SecretedProteins

Nuclear Receptors

Protein families

Planning

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

Flowchart of HTSInteractions with IdRS actors

Planning

Assay design

Assay development

Automation

HTSSecondary/Counter screens

Data analysis

Methods/materialsTransfert

(Pharmacology division)

Project Launch

IC50 of actives ICR data export

Complementary studies

PA2 protocols(GIS/IT)

DANA template(GIS/IT)

Compound plates(BdP)

Compound plates(BdP)

Biological materials(BM/BC; Protein chemistry)

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS Assay development validation steps

"Check list"

Consumables (culture supports, assay plates) …………………………………………………………………………………….

Data acquisition parameters (wavelength, sampling...) ………………………………………............……………………

Optimal reagent concentrations (cells, proteins, probes, substrates, …) ………………………………………………..

Kinetics (pre-incubation, incubation, reading, …) ………………………………………………………………………………..

Solvent tolerance........………………………………………………………………………………………………………………………

Pharmacology of validation……………………………………………………………………………………………………………….

Automation………………………………………………………………………………………………………………………………………

Strength (Z’) …………………………………………………………………………………………………………………………………..

4

5

6

7

8

4 5 6 7 8

pIC50 (FP)

pIC

50

(fu

nc

tio

na

l)

Z' = 0.63 à 6H d' incubation

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50

Alexa Fluor 488 - incubation 6H

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0102030405060708090

100110120

BTX 10nM

+Epibatidine 100µM

DMSO %

mP

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

T ime ( h)

MIN

MAX

HEK hGPR119 clone 13

-13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4-40

-20

0

20

40

60

80

100

EC50

w /o BLR 7.320e-009

EC50

BLR 1 nM 1.483e-008

EC50

BLR 3 nM 1.084e-008

EC50

BLR 10 nM 1.605e-008

EC50

BLR 30 nM 2.740e-008

EC50

BLR 100 nM 2.638e-008

EC50

BLR 300 nM 8.258e-009

EC50

BLR 1000 nM 3.602e-008

Log([BLR100])

% E

ffect

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

Planning

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

Integration contribution to assay robustness

Cell seeding

Incubation 24hrs @ 37°C, CO2

Switch from culture medium to

DMEM buffer (40 µL)

DW 384 – Probe

50 µM (10X)

Compound plate

(10X)

5 µL

5 µL

Incubation 20 min @ 37°C, CO2

Incubation 60 min @ 37°C, CO2

Double wavelength data acquisition

Washes (x3)

Robotics_v1 Robotics_v2

Reagent

dispenser

Plate

washer

CybiWell

CybiWell

Incubator

Plate

washer

Incubator

Plate reader

Reagent

dispenser

Plate reader

FDSS

FDSS

Incubator

Plate

washer

Incubator

Plate

washer

Inte

gra

ted

TH

ER

MO

-HA

MA

MA

TS

U w

ork

sta

tion

Automation (1) Eg. ClC7 (PVS)

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

Planning

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

-150 -80 -55 -30 -5 20 45 70 95 120 165

Score 2

Score 1

Score 0

Score -1

Score -2

Seuil manuel

Produits

Inhib (%)Hit rate = 4%

Robotics_v2

Automation (2)

lysosome acidification

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

-150 -80 -55 -30 -5 20 45 70 95 120 165

Score 2

Score 1

Score 0

Score -1

Score -2

Seuil manuel

Produits

Inhib (%)

« Hit rate » = 14%

Robotics_v1

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

When handling cells on a lengthy protocol, assay automation increases data quality

Planning

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS Data processing

Integrated process

Channel

DANA

Activity Base

Pipeline Pilot

GIS / IT Templates

Compoundlibrary database

Study declaration

Experimental procedure declaration

Data analysis

Data correlation

Campaign analysisPipeline Pilot

IdRS database

Present process

Channel

SimplicityVersatility

Decision desk

+

or

or

GIS / IT Templates

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis Excel/uHTE/XE

ICR

Planning

ICR

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

Campaign analysis

Eg. Cancer target

Inhibition of Protein homodimerisation

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

30000

25000

20000

15000

10000

5000

00 25 50-25-

50 Inhibition (%)

Num

ber

of com

pounds

99547 cpds @ 10 µM or 10 µg/mL = 632 assay plates (n=2)

Selection of 666 actives

Assay with good statistics:

narrow Gaussian dispatch of activitiesGood n1 / n2 reproducibility

548 available @ BdP

Evaluation of reproducibility and Gaussian distribution of activities => assay quality

Definition of a threshold for active compounds

Planning

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

Applies to ACTIVES from HTS and small size (<700) focused libraries:

Determination of IC50s

0

25

50

75

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

pIC50

Nu

mb

er

of

co

mp

ou

nd

s

270

Most compounds are active in the micromolar range, depending on the target class

ACTIVES HITS

IC50 of actives

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

Planning

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

Complementary studiesDevelopment of complementary assays

Eg. GPR ZZZ

[3H]-BLR100 bindingKi determination of validated compounds

Calcium mobilization AssayInsulin secretion potency of validated compounds

GsAC+

ATP

cAMP+ Pi

[3H]-BLR100

GPR ZZZ

+

Ca2+

+

KATP VDC

MIN6c4 cells

cAMP dosage HTS at CEREP

Assay design

Assaydevelopment

Automation

IC50

Complement.studies

Partnership /Subcontract.

HTS

Data analysis

CRE-Luc

Reporter gene assay HTS at SIMM

Planning

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

Flowchart of HTSScreening externalization

Outsourcingof

HTS

Planning

Assay design

Assay development

Automation

HTS

PA2 protocols(GIS/IT)

DANA template(GIS/IT)

Compound plates(BdP)

Compound plates(BdP)

Biological materials(BM/BC; Protein chemistry)

Transferttechnics/materials

(Pharmacology division)

Project Launch

IC50 of actives

Complementary studies

Eg. GPRZZZ

CEREP: Integration of the externalization in

our process

SIMM: Fully independent

externalization

Assay development and HTS team – SdP PMC – 09/12/2009PMCIdRS

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PMCIdRS

Chemical neighbour

selection and tests

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

-150 -80 -55 -30 -5 20 45 70 95 120 165

Score 2

Score 1

Score 0

Score -1

Score -2

Seuil manuel

Produits

Assay development

HEK-GLP1 clone 2

lyse : 1h35 (2431)

-14 -13 -12 -11 -10 -9-20

0

20

40

60

80

100

GLP1 (2000cells)

GLP1 (4000cells)

GLP1 (6000cells)

GLP1 (10000cells)

Log [ GLP1 7-36 ] (M)

Eff

et

ag

on

iste

(% f

ull

ag

o)

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

0 8 16 24 32 40 48

Sig

nal

Signal total :

HBSS + BSA

0.1%

Signal non

spécifique :

GLP1(7-36)a

10nM

1 2 3 4 5 6

High throughput screening in its context

Workplan:

Definition, needs

1K

2K

3K4K

5K

6K

7K0

luc+

Neom

ycin

Ampicil l inCMV prom

otor

SV40 promotor

SV

40

pA

pcDNA3.1(+)/LUC+

Cells and/or protein

production

Compound plates

Screnning campaign

NH

OH

OH

NH

O

CH3

CH3

CH3

ClH

OH

NH NH

OH

O

O

diastereoisomere 1 racemique

N

N

N

CH3

N

O

CH3

CH3

O

N

CH3 OH

OH

OH

OH

OOH

O

Hits list

Orthogonal test:

characterization of the main hits.

Biophysical qualification

- 1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0

R U

po

ns

e

T e m p s e n s

- 1 0 0

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0

R U

po

ns

e

T e m p s e n s

P r o té in e s e u le1 .5 6 µ M3 .1 2 µ M6 .2 5 µ M1 2 .5 µ M2 5 µ M5 0 µ M1 0 0 µ M

- 6 .0 -5 . 5 - 5 .0 - 4 .5 -4 . 0 - 3 .5- 1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0S 7 1 6 1 7 - 1

B O T T O M

T O P

L O G E C 5 0

H IL L S L O P E

E C 5 0

0 .0

1 0 0 . 0

- 4 . 8 9 3

1 .1 8 9

1 .2 8 1 e - 0 0 5

lo g [ S 7 1 6 1 7 -1 ] M

% in

hib

itio

n

Biophysics NMR, X-rays

Not-a-real-compound

Biochemical/cellular assay

Chemical optimisation

(Med Chem)

« Last » StepHit qualification

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PMCIdRS From target to chemical lead

Screening

CompoundsS. BERGER

Hit selection

From hit to lead

Proteins

Antibodies Analytocal

techniques

Structural

Biology

SubcontractingN. MOULHARAT

Purification

TargetM. ANTOINE

Qualification

AActivity

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PMCIdRS Using Biophysics to build up a drug

Kinase inhibitor, anticancer agent

DG = -RTln(1/KD) = DH -TDS

Signature thermodynamique de la mérioline

-20000

-15000

-10000

-5000

0

5000

ca

lori

me

/mo

le

DG

DH

-TDS

Enthalpy-driven interaction

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

-16.00

-14.00

-12.00

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00-0.80

-0.70

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

0.100 30 60 90 120 150

Time (min)

µcal/sec

Data: Data1_NDH

Model: OneSites

Chi^2/DoF = 8.517E4

N 0.899 ±0.00330 Sites

K 7.95E7 ±1.36E7 M-1

DH -1.447E4 ±102.6 cal/mol

DS -12.4 cal/mol/deg

Molar Ratio

KC

al/M

ole

of

Inje

cta

nt

ITC* Isothermal Titration Calorimetry

Attraction and repulsion forceslead

to thermodynamical signature of

the compound

Repulsion due

to solvants

Hydrophobicity

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

VVI IV

I

IIIII

Entropy

En

tha

lpy

III

S 51175-1

S 52319-1S 52312-1

AKY33

“Thermodynamic Optimal Plot”

VVI IV

I

II

S 51175-1

S 52319-1S 52312-1

AKY33

TDS

DH

Attraction due

to hydrogen

bonds

Target

Ligand

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PMCIdRS

Cristallogenesis

of the target

Search for a new kinase inhibitor

Expression in E.

Coli

12 constructions

PurificationProduction of crystals

350 conditions

Diffraction at

Synchrotron Data

analyses

Structure finale Resolution

Atomic coordonates

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PMCIdRS

Compound A, inhibiteur de la Glucokinase

Spécificité d’une protéase.

Sun et al, Prot Sci 2010 19:2240

-> accès aux informations clés de

la relation entre un inhibiteur ( ) ou un

substrat ( ) et sa cible.

Possibilité de modulation de ces interactions

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PMCIdRS

Concluons????

1/ L’enzymologie représente une petite part de la chimie des protéines qui

représente une petite part de la recherche de découverte de médicaments

qui représente une petite part de la mise au point d’une nouvelle

substance médicamenteuse

2/ Les enzymes forment la deuxième ou la troisième famille de cible des médicaments

(derrière les récepteurs à 7TM et les canaux)

3/ L’enzymologie permet de comprendre l’activité enzymatique. Elle n’est ‘rien’ sans le

clonage, l’expression, la purification, la biologie structurale, la qualification de la protéine

purifiée, la possibilité de faire des mutants, etc..

4/ Elle nécessité aussi de chercher de nouvelles approches à la mesure de l’activité catalytique:

RMN, stopflow, spectrométrie de masse, etc..

5/ La chimie, en apportant des variations ponctuelles des substrats, co-substrats et inhibiteurs

des enzymes est aussi capitale à la compréhension (et donc au contrôle) de l’activité

catalytique. (ergo: ne pas négliger la compréhension simplifiée de la chimie)

6/ ça coûte…. cher.

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PMCIdRS

We accept all missions

even those seemingly impossible