Los conjuntos de proteínas, diseñados y construidos desde cero para transportar carga molecular, están avanzando tanto en la investigación de vida sintética como en los esfuerzos de ingeniería para la entrega dirigida de medicamentos
Los científicos han logrado desarrollar los primeros conjuntos de proteínas sintéticas que encapsulan sus propios materiales genéticos y desarrollan nuevos rasgos en entornos complejos.
El proyecto se informa esta semana en la revista científica Naturaleza . Los autores principales del artículo son Gabriel L. Butterfield y Marc J. Lajoie, del Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington.
El avance proviene de proyectos de ingeniería molecular en UW Medicine y otras áreas de la Universidad de Washington para crear sistemas de administración de fármacos específicos. Los ensamblajes de proteínas sintéticas fueron diseñados computacionalmente. No existían previamente hasta que se formaron en un laboratorio.
Los científicos crearon estas asambleas en su búsqueda de nuevas formas de transportar cargas terapéuticas a tipos específicos de células sin usar virus como vehículos.
"La administración dirigida de medicamentos es una necesidad importante no resuelta en medicina", señaló Lajoie, "Actualmente, los investigadores están usando virus, que son efectivos, pero difíciles de diseñar, o están usando nanopartículas poliméricas, que son manipulables, pero menos efectivas enentrega dirigida "
Además de su potencial para aplicaciones biomédicas, los ensamblajes de proteínas de nuevo diseño podrían ser innovadores en la investigación de vida sintética. Se cree que son los primeros ensamblajes completamente sintéticos que empaquetan sus propios materiales genéticos y desarrollan nuevos rasgos. Estas son funciones normalmente asociadascon seres vivos
El trabajo se realizó en los laboratorios de los investigadores de UW Medicine, David Baker, profesor de bioquímica, y Neil King, profesor asistente de bioquímica, ambos en la UW School of Medicine; y Suzie Pun, Robert F. Rushmer, profesor de bioingeniería enla UW.
Los nuevos ensamblajes de proteínas son versiones sintéticas de nucleocápsides: contenedores del genoma. La mayoría de los virus rodean su material genético con una cubierta de proteína. Las nucleocápsides sintéticas se construyeron para parecerse a una cubierta de virus que, como la bodega de un avión o barco, puedeproteger y entregar carga.
Lajoie explicó que, a diferencia de los virus vivos, estos transportistas genéticos sintéticos no pueden copiarse para reproducirse. Butterfield agregó: "Aún así, rivalizan con los virus en la eficiencia del empaque del genoma y son mucho más simples y fáciles de diseñar".
La combinación del diseño computacional con la evolución brinda una nueva oportunidad para desarrollar nuevas funciones biológicas. De esta forma, observaron los investigadores, las propiedades complejas requeridas para las aplicaciones biomédicas se introdujeron en estos ensambles de proteínas. Estas incluyeron mejoras en su capacidad de empaquetar ARN, resistencia mejoradaa la sangre que tiene sustancias que normalmente degradarían tales ensamblajes y un mayor tiempo de circulación en ratones vivos.
Las mejoras en cada propiedad provienen de cambios en regiones específicas de la cápside. El empaque inicial provino del rediseño del interior para capturar electrostáticamente el ARN. Después de esto, los pasos evolutivos fueron: evolucionar el interior para fomentar mejor el empaque del ARN, evolucionar la protección contra las enzimas que dañan el ARNy otros destructores en la sangre, y evolucionando el exterior para aumentar el tiempo de circulación en ratones vivos.
Empaquetar material genético es crítico para los seres vivos. Conserva el código de vida que ocurre en forma química como moléculas de ADN o ARN.
"Diseñamos nucleocápsides sintéticas desde cero basadas en dos proteínas completamente no relacionadas", dijo Lajoie. "Esto es emocionante porque pudimos diseñar funciones que son esenciales para la vida sin tener que usar las células existentes como plantilla".
El trabajo futuro continuará con la estrategia combinada de diseño y evolución para tratar de optimizar la función de los ensambles de proteínas en entornos complejos, como los de los tejidos vivos.
"Nos sorprendió cuán eficientemente la evolución resolvió nuestros problemas hasta ahora. Esperamos que esto continúe mientras perseguimos nuestros próximos objetivos: entregar cargas terapéuticas a células específicas en animales", dijo Butterfield.
El trabajo fue financiado por el Instituto Médico Howard Hughes, la Fundación Bill y Melinda Gates, la Agencia de Proyectos de Investigación de Avances de Defensa DARPA, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación de Investigación de Washington y el Instituto de Investigación del Cáncer.
Otros investigadores en el estudio fueron Heather H. Gustafson, Drew L. Sellers, Una Nattermann, Daniel Ellis, Jacob B. Bale, Sharon Ke, Garreck H. Lenz, Angelica Yehdego y Rashmi Ravichandran.
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Materiales proporcionado por Universidad de Ciencias de la Salud de Washington / Medicina de la Universidad de Washington . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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