자연의 보고: 천연물로부터 새로운 암 치료제 발견의 활성화

2019년 3월 22일 : 국립암연구소 제공

대부분의 사람들은 연구실에서 육류 분쇄기 찾기를 기대하지 않을 것이다. 하지만, 탄자 그로코비치 박사 말에 따르면, 그것은 얼어붙은 해양 유기체를 분쇄하는데 완벽한 도구라고 한다.

"이건 정말로 그 일을 해낸다!"라고 그녀가 말했다.

크로아티아 태생의 화학자인 그로코비치 박사는 알아야 한다. 천연 제품 지원 그룹의 선임 과학자로서, 그녀는 지난 몇 년 동안 새로운 암 치료제의 출발점 가능성을 알아보기 위해 해양 생물에서 토양에 사는 곰팡이, 잎에 이르기까지 자연의 제품을 분석하는 과정을 개선하는데 몰두했다. (천연물품지원그룹은 NCI가 후원하는 계약자운영시설인 프리데릭 국립암연구소의 일부분이다.)

이 연구는 다른 연구자들이 새로운 암 치료제로 이끌어줄 자연을 채굴하는 것을 더 쉽게 하기 위해 “천연물 발견을 위한 국립암연구소 프로그램(NPNPD)”이라는 야심찬 「Cancer Moonshot」이 후원하는 계획의 일부였다.

이 이야기의 큰 줄기는 메릴랜드 주 프리데릭 시 소재 국립암연구소 캠프스에 있는 국립암연구소의 천연물과의 오래된 연구실에서 태어났다.

이 빌딩의 투어 중에, Grkovic 박사는 전 세계에서 수집된 천연 물품 샘플로 가득 찬 냉동실을 보여주었고, 동시에 이 샘플들을 원래 상태에서 바코드로 된 시험관에 몇 그램의 시험재료로 변환하는 매우 복잡한 과정을 설명했다.

천연 물품은 수십 년 동안 약물 발견의 기초가 되어 왔다고 그녀는 말했다. 전체 암 치료제와 항생제 중 절반 이상이 천연 물품에서 발견된 화합물에서 나온 것으로 추정된다.

예를 들어, 가장 흔하게 사용되는 화학요법 약품 중 하나인 파클리탁셀(Taxol)은 태평양 주목의 껍질에서 유래되었고, 최초의 항생제 중 하나인 페니실린은 곰팡이에서 유래되었으며, 화합물에서 콜레스테롤을 낮추는 약품은 버섯류였다.

그러나 천연물과 과장을 맡고 있는 배리 오키프 박사는 이런 인상적인 기록에도 불구하고 천연물이 신약 발견의 원천으로 인정받지 못하고 있다고 설명했다. 그것은 주로 해조류나 나무의 속껍질 조각에서 암세포를 죽이는 능력을 시험할 수 있는 화합물로 가기 위해 필요한 시간과 노력이 너무 많이 소요되기 때문이다.

"대부분의 사람들은 더 이상 천연물을 이용하여 연구하고 싶어 하지 않는다. 그것은 너무 도전적인 일"이라고 오키프 박사는 말했다. 대신, 많은 연구자들과 제약회사들은 현재 암 치료제 발견을 위해 주로 인간이 만든 화학적 합성 화합물의 거대한 "도서관"에 의존하고 있다.

그러나 2015년 국립암연구소 지도부는 자연에서 발견되는 엄청난 잠재력과 비교할 수 없는 화학적 다양성을 감안할 때 연구소가 천연물품을 재발견하기 위한 노력을 시작해야 한다고 결정했다. NPNPD는 얼마 지나지 않아 설립되었다.

"우리는 이것이 쉬운 일은 아닐 것이라는 것을 알고 있었습니다,"라고 오키프 박사는 말했다. "하지만 우리가 그렇게 한다면 모든 것을 바꿀 수 있을 것이라고 생각합니다."

국가적 보물

1980년대 중반부터 프리데릭 시의 군사기지인 포트 데트릭에 위치한 국립암연구소 캠퍼스 구내에 자리 잡은 천연물과는 마다가스카르 숲에서 태국 해안까지 전 세계 25개 열대 및 아열대 국가에서 식물과 해양 유기체의 표본 10만 개 이상을 수집했다.

"이 아이디어는 매우 다양한 종들을 포획하기 위한 것이었습니다,"라고 Grkovic 박사는 말했다.

이 샘플들은 계약상 약정을 통해 수집되었는데, 일반적으로 국제 및 주립 식물원, 해양 과학 기관과 같은 자연 세계를 연구하고 보존하는 기관들의 협조로 수집되었다.

그러한 수집품들은 모두 어떤 특정 국가의 천연자원이 고갈되거나 어떤 식으로든 손상되지 않도록 보장하는 법적 합의 하에 수행되었다. 그 협정은 또한 만약 그 제품이 시장성 있는 발견(즉, 신약)으로 이어진다면, 원래의 제품이 나온 나라는 어떤 이익도 공유할 것이라고 규정하고 있다.

그러나 애당초 무엇이 천연물품을 그렇게 유망한 약물 발견의 길을 만드는 것일까?

천연물품을 이용한 약물 발견을 전문으로 하는 유타 헬스 샌안토니오의 수잔 무베리 박사는 "천연물의 특히 매력적인 특징 중 하나는 다른 유기체에 생물학적 영향을 미칠 수 있는 분자를 생산하는 능력"이라고 말했다.

생물의 자기 방어를 예로 들어 보자.

"식물들은 움직일 수 없다. 해면 갯솜도 움직일 수 없다. 그래서 그들은 스스로를 보호하기 위한 메커니즘을 개발해야 합니다,"라고 Moberry 박사는 말했다. 예를 들어, 우렁쉥이(멍게라고도 함)로 알려진 해양 유기체들은 그들의 삶의 대부분을 바위와 부두에 고정시키고는, 포식자들을 막기 위해 다량의 독소를 생산한다.

이런 화학 화합물은 "정보가 풍부하다"고 천연 물품에서 추출한 잠재적 약물 납을 화학적으로 합성하는 것을 전문으로 하는 베일러 대학의 다니엘 로모 박사는 말했다. 예를 들어, 로모 박사는 "그들은 새롭고 흥미로운 방법으로 세포 단백질과 상호작용할 수 있고, 그것이 종종 새로운 약물 표적과 약물의 개발을 이끌 수 있다."고 말을 이어 갔다.

그러나 국립암연구소와 다른 기관 및 회사들이 조추출물(粗抽出物)로 알려진 최소 처리된 재료의 형태로 연구 커뮤니티에 천연 물품의 샘플을 계속 제공하면서까지 약품 발견을 위한 그들의 이용은 급격히 감소해 갔다.

주된 이유는? 자연에서 추출한 조추출물과 달리 인간이 만든 합성 화합물 라이브러리는 고속처리 선별기술, 즉 화학 화합물이 생물학적 물질에 미치는 영향을 신속하게 테스트하기 위한 고도로 자동화된 시스템이다.

반면, 고속 처리 선별에 적합하려면 천연 제품 추출물은 분할이라는 과정을 거쳐야 하며, 이 과정을 통해 분할 내에 있는 화합물을 보다 쉽게 분리할 수 있는 보다 정제된 상태로 변환해야 한다.

개별적인 조추출물을 나무로 가득 찬 숲으로 생각해 보라"고 그라코비치 박사는 말했다.

그녀는 "이 추출물에서 나온 분할은 숲 속의 한 그루 나무와 같다"고 말했다. "순수한 화합물은 나무들 중 하나의 잎사귀와 같다."

또한 분할 과정은 종종 이른바 "성가신 화합물"이라고 불리는 것과 높은 처리량 검사의 결과를 신뢰할 수 없게 만들 수 있는 다른 분자들을 제거하는 데 도움이 된다고 무베리 박사는 말했다.

조추출물을 분할할 수 있는 능력이나 자원이 있는 실험실은 거의 없다고 그녀는 지적했다. 그래서 시간이 흐르면서 연구자들과 제약회사들은 대신 보다 경제적인 인공합성 화합물의 도서관으로 눈을 돌렸다.

2015년 오케이프 박사가 NCI의 천연 물품 프로그램 책임자가 된 직후 이런 추세를 인식한 그는 약물의 발견에 대한 자연의 보물의 이용을 제안하였다, 즉 천연 제품 조추출물이라는 NCI에 묻혀 있는 보물을 사전 추출해 연구자들을 위한 선행 작업을 할 수 있는 방법을 제안했다. 그러한 분할은 잠재적으로 유망한 화합물을 채굴하기 위해 실행 가능한 연구 계획을 가진 모든 사람이 이용할 수 있게 될 것이다.

"이제 연구계는 역사상 그 어느 때보다도 더 많은 화학적 다양성에 접근할 수 있게 될 것이며, 그것도 공짜로.."라고 그는 말했다.

몇 개월 후 또 몇 개월에서 몇 주 단위로 공정을 단축

원래의 천연물품과의 연구소에서 조금만 걸어도 되는, 새로운 NPNPD 시설은 기존 연구소와는 정반대이다. 높은 천정, 밝은 조명, 스테인리스강의 장비, 그리고 조추출물을 분할하고 고 처리 선별을 위해 그러한 분할을 준비하기 위한 다수의 첨단 기계와 장치(로봇이 즐비하다)가 되어 있다.

연구소의 중심부는 거대한 돔 모양 보관실로, 결국 국립암연구소의 소장품의 14만 개 이상의 조추출물에서 추출한 분류품이 포함된 코드화된 테스트 튜브를 100만 개 이상을 수용합니다.

온도 조절식 보관실 안에는 40피트 길이와 15피트 높이를 이동할 수 있는 대형 로봇 팔이 있어 바닥에서 천장까지 진열대에 쌓여 있는 수천 개의 맞춤형 보관용 칸막이에서 튜브를 빠르게 빼냅니다.

이 시설은 NPNPD 직원이 천연물품 조추출물의 분할을 위해 개발하고 정제한 공정을 위한 성능 시험장이라고 오키프 박사는 말합니다. 이 작업을 통해 이전에는 수개월에 걸친 수작업 프로세스를 현재 고도로 자동화되고 몇 주 안에 완료할 수 있는 프로세스로 단축할 수 있었습니다.

"우리는 이 물질의 정화에 가장 적합한 방법과 프로세스를 자동화하기 위한 최선의 방법을 해양과 식물, 미생물 같은 각종 원료 처리하는 방법을 연구했습니다."라고 그가 말했습니다.

이러한 노력은 선별을 위해 보낼 시험 튜브의 분할 준비 과정까지 확대되었습니다. 며칠 안에, 이 튜브의 샘플들은 추가 처리 과정을 거치게 되고, 결국 수백 개의 딤플이나 몇 밀리리터의 각기 다른 분할품이 있는 작은 접시로 마무리되고, 바로 테스트를 위한 준비를 갖춘 ‘요구 시험실’로 전달됩니다.

1월 말에 NPNPD는 라이브러리에서 추출한 샘플에 대한 첫 번째 주문을 이행했습니다.

"우리는 전 세계의 대규모 학술 연구소와 연구자들로부터 관심을 받았습니다."라고 오키프 박사는 말했습니다.

단순한 원료 보급소의 기능을 넘어

“국립암연구소의 천연물 발견을 위한 프로그램(NPNPD)”의 사전분할 공정만큼 효율적이긴 하지만, 분할은 여전히 복잡합니다. Grkovic 박사는 NPNPD에서 수행한 테스트를 기반으로, 평균적으로 사전 분할된 샘플에는 약 20개의 활성 화합물이 포함되어 있다고 설명했습니다.

그래서 만약 고속처리 선별에서 말하자면, 시험 중인 어떤 분할품이 유방암이나 백혈병 세포를 죽인다는 것을 보여준다면, 세포 죽이기 작용에 기여한 화합물을 분리하기 위해서는 몇 번의 검사를 더 해야 할 수 있습니다.

O'Keefe 박사는 NPNPD는 이러한 추가 분석을 수행할 수 있는 능력과 전문 지식을 갖추고 있으며, 이를 수행하기 위해 연구원들과 협력할 수 있다고 말했습니다.

액체 크로마토그래피-질량분석법 및 핵자기공명분광법 같은 기술을 사용하여 NPNPD의 과학자들은 선별 연구소에서 식별한 활성 화합물을 채취하여 몇 주 안에 정확한 화학적 구조를 알아낼 수 있습니다. 이 정보는 연구자가 이 화합물이 어떻게 암세포를 죽이는지 이해하고 싶거나, 추가 연구와 약물 개발을 위해 화합물을 수정하거나 최적화하기를 원한다면 중요합니다.

"그래서, 우리는 수용력과 처리량을 가지고 있기 때문에, 이제 우리는 조추출물에서 단 두 단계 만에 화합물의 화학 구조에 대한 정보를 얻었습니다."라고 Grkovic 박사는 말했습니다.

뒷마당의 시민 과학

NPNPD가 중점적으로 추진하는 분야는 토양에서 발견된 미생물과 곰팡이에 의해 만들어진 암 치료 화합물을 찾는 것입니다.

그 결정은 입소문을 탄 한 소셜 미디어에서 나온 것입니다. 지난 2015년 3월 유명 소셜 미디어 사이트 레디트의 한 이용자는 오클라호마 대학의 시민과학 토양 채취 프로그램과 전국의 뒷마당에서 나온 '한줌의 흙'을 이용해 신약을 발굴하겠다는 목표를 게시했습니다. 이 게시물에 불이 붙었고, 이후 몇 주 몇 달 동안 이 프로그램은 미국 전역의 뒷마당 토양 샘플로 넘쳐났습니다.

그가 무엇을 해야 할지보다 더 많은 샘플로 넘쳐나자, 이 프로그램의 리더인 Robert H. Chechwicz 박사는 국립암연구소가 이 풍부한 흙먼지를 이용하는 데 관심이 있는지 알아보기 위해 O'Keefe 박사와 연결했습니다. 몇 년 후, 새로운 NPNPD 실험실의 한 부분은 토양 미생물로부터 조추출물을 추출하는 데 전념하고 있습니다.

모베리 박사의 연구는 토양의 잠재력이 암 치료제 연구의 진보를 만들어 낼 수 있는 가능성을 보여주는 예입니다. 몇 년 전, 그녀의 실험실은 알래스카의 한 사람으로부터 오클라호마 프로그램에 제출된 토양 샘플의 곰팡이로부터 화합물을 실험했습니다. 이것은 3중 음성 유방암 세포의 한 종류를 죽이는 인상적인 능력을 보여줬습니다.

비록 그 특정 화합물이 더 이상의 연구로 나아가는 것은 아니지만, 더 최근에 그녀의 연구실에서 오클라호마 프로그램에서 토양에서 파생된 곰팡이로부터 분리된 다른 화합물이 유잉육종 세포를 특별히 죽일 수 있다는 것을 보여주었습니다. 희귀하고 치료하기 어려운 암인 유잉육종은 어린이와 젊은 성인들이 가장 흔히 걸립니다.

이 연구 결과는 아직 발표되지 않았지만, 그녀는 이 화합물이 연구원들이 새로운 표적 치료법이 개발될 수 있는 유잉육종 세포의 취약성을 찾아내는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

새로운 기회

로모 박사는 "국립임연구소의 천연물 발견을 위한 프로그램(NPNPD)의 발족 시기는 좋다"며 이같이 말했습니다. 합성 화합물의 자료 도서관은 많은 사람들이 기대했던 것처럼 신약을 생산하는 데 성공하지 못했습니다. 그리고 합성 전문 화학자들은 천연물품에서 생성된 유망한 진보에 힘입어 새롭고 매우 복잡한 화학 화합물을 만드는 데 훨씬 더 능숙해졌습니다.

"우리는 점점 더 복잡한 분자를 만드는 데 더 능숙해지고 있습니다."라고 그가 말했습니다.

물론, 어떤 화합물, 심지어 실험실 연구에서 큰 가능성을 보여주는 화합물이라도 인간의 암을 치료하는 데 효과적이라고 증명될지는 확실치 않습니다."라고 모베리 박사는 강조했습니다. 그러나 천연 물품에서 유래한 약물로 성공한 역사는 무시할 수 없다."고 그녀는 말했습니다.

그리고 이제, NPNPD와 함께, 그녀는 "더 많은 사람들이 이 분할물들을 확인하기 시작한다면, 우리는 변화를 만들 새로운 기회를 갖게 될 것입니다."라고 말했습니다.

젊은 세대의 연구원들이 그러한 도전을 받아들일지도 모른다고 오키프 박사는 말했습니다. 지난 1년 동안, 그는 전국적으로 NPD에 대한 프레젠테이션을 했습니다. 그는 거의 한결같이, 가장 흥분된 반응은 젊은 연구자들로부터 나왔습니다.

그는 "젊은 연구원들이 계속 제게 다가오는데, '아무도 제가 들판에 나가 채집을 하거나 추출을 할 수 있도록 자금을 지원해주지 않았기 때문에, 정말 감사합니다. 이제 이런 자원이 생겼으니 이제 연구를 시작할 수 있을 것 같습니다."라고 말했습니다.

Nature’s Bounty: Revitalizing the Discovery of New Cancer Drugs from Natural Products

March 22, 2019, by NCI Staff

Extracts from Clavellina sp, a type of sea squirt or tunicate, are being studied for their potential to kill cancer cells.

Credit: National Cancer Institute

Most people wouldn’t expect to find a meat grinder in a research laboratory. But, according to Tanja Grkovic, Ph.D., it’s the perfect tool for grinding up frozen marine organisms.

“It really does the job!” she said.

Dr. Grkovic, a Croatian-born chemist, should know. As a senior scientist in the Natural Products Support Group, she has spent the last several years intimately involved in improving processes for analyzing products of nature—from marine creatures to soil-dwelling fungi to plant leaves—to see whether chemical compounds within them might be starting blocks for new cancer drugs. (The Natural Products Support Group is part of the Frederick National Laboratory for Cancer Research, an NCI-sponsored contractor-operated facility.)

The work has been part of an ambitious, Cancer MoonshotSM-funded initiative, called the NCI Program for Natural Products Discovery (NPNPD), to make it easier for other researchers to mine nature for leads on new cancer drugs.

A big part of that story has taken place in the well-worn home of NCI’s Natural Products Branch, on the NCI campus in Frederick, MD.

On a tour of the building, Dr. Grkovic showed off freezer rooms filled with samples of natural products collected from across the globe, all the while explaining the highly complex process of converting those samples from their original states to a few grams of material in bar-coded test tubes.

Natural products have been a bedrock of drug discovery for many decades, she said. It’s estimated that more than half of all cancer drugs and antibiotics originated from a chemical compound discovered in a natural product.

Paclitaxel (Taxol), for example, one of the most commonly used chemotherapy drugs, was derived from the bark of the Pacific yew tree; penicillin, one of the first antibiotics, from a mold; and drugs to lower cholesterol from compounds found in fungi.

However, Barry O’Keefe, Ph.D., who heads the Natural Products Branch, explained that, despite this impressive track record, natural products have fallen out of favor as a source for new drug discovery. That’s largely because of the extensive time and effort needed to go from a bit of algae or sliver of tree bark to a compound that can be tested for its ability to kill cancer cells.

Image of the Streptomyces peucetius bacterium

Streptomyces peucetius, a bacterium from which the chemotherapy drug daunorubicin is derived.

Credit: National Cancer Institute

“Most people just don’t want to work with natural products anymore; it’s too challenging,” Dr. O’Keefe said. Instead, many researchers and pharmaceutical companies now rely primarily on large “libraries” of man-made, chemically synthesized compounds for cancer drug discovery.

But given the great potential and unmatched chemical diversity found in nature, in 2015, NCI leadership decided that the institute should launch an effort to encourage the research community to rediscover natural products. The NPNPD was established not long after.

“We knew it would be a big undertaking,” Dr. O’Keefe said. “But if we did it, we thought, it could change everything.”

A National Treasure

Beginning in the mid-1980s, the Natural Products Branch—housed on the grounds of NCI’s campus at Fort Detrick, an active military base in Frederick—collected more than 100,000 samples of plants and marine organisms from 25 tropical and subtropical countries across the globe, from the forests of Madagascar to the coastal waters of Thailand.

“The idea was to capture a great diversity of species,” Dr. Grkovic said.

The samples were collected via contractual arrangements, typically with organizations that study and preserve the natural world, such as international and state botanical gardens and marine science institutes.

Those collections were all performed under legal agreements that ensured that any given country’s natural resources would not be depleted or damaged in any way. The agreements also stipulated that, should the products lead to any marketable discoveries—namely, a new drug—the country from which the original product came would share in any profits.

But what makes natural products such a promising avenue of drug discovery in the first place?

One particularly enticing feature of natural products is their ability to produce molecules that can have a biological effect on other organisms, said Susan Mooberry, Ph.D., a professor of pharmacology at UT Health San Antonio, who specializes in drug discovery using natural products.

Take self-defense, for example.

“Plants can’t move. Sponges can’t move. So they have to develop mechanisms to protect themselves,” Dr. Mooberry said. Marine organisms known as tunicates (also called sea squirts), for instance, which spend much of their life anchored to rocks and docks, produce an arsenal of toxins to ward off predators.

Such chemical compounds are “information rich,” said Daniel Romo, Ph.D., of Baylor University, who specializes in chemically synthesizing potential drug leads derived from natural products. For example, Dr. Romo continued, “they can interact with cellular proteins in new and interesting ways, and that’s often what can lead to the development of new drug targets and drugs.”

But even as NCI and other organizations and companies have continued to make samples of natural products available to the research community—in the form of minimally processed materials known as crude extracts—their use in drug discovery has declined dramatically.

The chief reason? Unlike crude extracts from natural products, libraries of human-created synthesized compounds are tailor-made for high-throughput screening: highly automated systems for rapidly testing the effects of chemical compounds on biological material.

To be suitable for high-throughput screening, on the other hand, natural product extracts must undergo a process known as fractionation, whereby they are transformed into a more purified state that allows for the compounds within them to be more easily isolated.

Think of individual crude extracts as a forest full of trees, said Dr. Grkovic.

“The fractions from those extracts are like single trees in that forest,” she continued. “A pure compound [in a fraction] is like a single leaf from one of the trees.”

The fractionation process also helps to weed out what are often called “nuisance compounds” and other molecules that can make the results from high-throughput screening unreliable, Dr. Mooberry said.

Few labs have the ability or resources to fractionate crude extracts, she noted. So over time, researchers and drug companies instead turned to the more economical libraries of human-synthesized compounds.

Recognizing this trend, shortly after Dr. O’Keefe became chief of NCI’s natural products program in 2015, he proposed a way to reinvigorate the use of nature’s bounty for drug discovery: do the up-front work for researchers by prefractionating NCI’s treasure trove of natural product crude extracts. Those fractions would then be made available to anybody with a viable research plan to mine them for potentially promising compounds.

“Now the research community is going to have access to more chemical diversity than has ever been available in history,” he said. “And it’s free.”

From Months and Months to Weeks

A short walk from the original Natural Products Branch labs, the new NPNPD facility is the antithesis of the old labs: high ceilings, bright lights, loads of stainless steel, and a host of high-tech machines and devices (robots abound) for transforming crude extracts into fractions and preparing those fractions for high-throughput screening.

A Tecan device used to fractionate crude extracts

A Tecan Freedom Evo 200, which is used to perform the fractionation of crude extracts from natural products

Credit: National Cancer Institute

The lab’s centerpiece is a massive vault-like storage room that will eventually house more than 1 million bar-coded test tubes containing fractions from more than 140,000 crude extracts in NCI’s collection.

Within the temperature-controlled vault is a large robotic arm that can travel the 40-foot length and 15-foot height of the room, quickly pulling tubes from thousands of custom-designed racks stacked in shelves from floor to ceiling.

The facility is the proving ground for the processes NPNPD staff have developed and refined for fractionating natural product crude extracts, Dr. O’Keefe said. That work has reduced what used to be a months-long, largely manual process to something that is now highly automated and can be completed in a few weeks.

“We worked through methods for dealing with each type of source material—marine, plant, microbial—how best to go about purification of this material, and how best to automate that process,” he said.

That effort extended to the process for preparing fractions in the test tubes to be sent out for screening. In a matter of days, the samples in those tubes can undergo additional processing (more robots), eventually winding up on tiny plates with hundreds of dimples, or wells—each with a few milliliters of different fractions—and then delivered to a requesting lab, ready for testing.

In late January, NPNPD fulfilled the first order for prefractionated samples from its library.

“We’ve had interest from large academic labs and researchers from around the world,” Dr. O’Keefe said.

More Than Just a Supply House

As efficient as NPNPD’s prefractionation process is, the fractions still have some complexity about them. Based on testing done at NPNPD, Dr. Grkovic explained, on average, the prefractionated samples contain approximately 20 active chemical compounds.

So if a high-throughput screen does show that a fraction being tested kills, say, breast cancer or leukemia cells, it can take a few more rounds of testing to isolate the compound responsible for the cell-killing activity.

The NPNPD has the capacity and expertise to conduct those additional analyses, Dr. O’Keefe said, and can work with researchers to perform them.

Using technologies like liquid chromatography–mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy, NPNPD scientists can take an active compound identified by a screening lab and, in a matter of weeks, determine its precise chemical structure. That information is important if a researcher wants to understand how the compound kills cancer cells or wants to modify, or optimize, the compound for further studies and drug development.

“So, because we have the capacity and we have the throughput, we now have information on [a compound’s] chemical structure only two steps removed from a crude extract,” Dr. Grkovic said.

Backyard Citizen Science

An area of focus moving forward for the NPNPD is hunting for cancer-killing compounds produced by microbes and fungi found in soil.

That decision was borne out of a social media post that went viral. In March 2015, a user on the popular social media site Reddit posted about the University of Oklahoma’s Citizen Science Soil Collection Program and its goal of using a “scoop of dirt” from backyards across the country to discover new drugs. The post caught fire, and in the ensuing weeks and months the program was flooded with backyard soil samples from across the United States.

A test tube of fungi being cultured on Cheerios

The University of Oklahoma’s Citizen Science Soil Collection Program grows, or cultures, fungi using Cheerios breakfast cereal.

Credit: Used with permission from Robert Cichewicz, Ph.D

Faced with more samples than he knew what to do with, the program’s leader, Robert H. Cichewicz, Ph.D., connected with Dr. O’Keefe to see if NCI was interested in taking advantage of this abundance of dirt. Fast forward a few years, and one part of the new NPNPD laboratory is dedicated to prefractionation of crude extracts from soil microbes.

Dr. Mooberry’s work is an example of soil’s potential to generate leads for cancer drugs. Several years ago, her lab tested a compound from a fungus in a soil sample submitted to the Oklahoma program from a person in Alaska. It showed an impressive ability to kill one type of triple-negative breast cancer cells.

Although that particular compound is not moving forward into further studies, more recently her lab showed that a different compound isolated from a soil-derived fungi from the Oklahoma program could specifically kill Ewing sarcoma cells. A rare and hard-to-treat cancer, Ewing sarcoma is most commonly diagnosed in children and young adults.

Results from the studies have yet to be published, Dr. Mooberry noted, but she’s hopeful that the compound may help researchers identify a vulnerability in Ewing sarcoma cells against which new targeted therapies can be developed.

A New Opportunity

The timing of the NPNPD’s launch is good, Dr. Romo said. Libraries of synthesized compounds have not been as successful at producing new drugs as many had hoped, he noted. And synthetic chemists have become much more adept at creating new, highly complex chemical compounds based on promising leads generated from natural products.

“We’re getting better at making more and more complex molecules,” he said.

Of course, there’s no certainty that any compound, even one that shows great promise in lab studies, will prove to be effective at treating cancer in humans, Dr. Mooberry stressed. But the history of success with drugs derived from natural products cannot be discounted, she continued.

And now, with the NPNPD, she said, “we have a new opportunity to make a difference if more people start screening these fractions.”

The younger generation of researchers may take up that challenge, Dr. O’Keefe said. Over the past year, he has given presentations on the NPNPD around the country. Almost uniformly, he continued, the most excited response has come from young investigators.

As he explained: “Young researchers keep coming up to me, saying ‘Thank you so much because nobody was going to give me funding to go out into the field to do collections or to conduct extractions. Now that I have this resource, I can just start my research.’”

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