La medicina tiene un problema de "Ricitos de oro". Muchas terapias son seguras y efectivas solo cuando se administran en el momento justo y en dosis muy precisas: cuando se administran demasiado temprano o demasiado tarde, en una cantidad demasiado grande o demasiado pequeña, los medicamentos puedenser ineficaz o incluso perjudicial, pero en muchas situaciones, los médicos no tienen forma de saber cuándo o cuánto dispensar.
Ahora, un equipo de bioingenieros dirigido por Hana El-Samad, PhD de UC San Francisco, y David Baker, PhD de la Universidad de Washington, han ideado una solución notable a este problema: células "inteligentes" que se comportan como pequeños robots autónomosque, en el futuro, puede usarse para detectar daños y enfermedades, y brindar ayuda en el momento justo y en la cantidad correcta.
Sorprendentemente, esto se puede lograr sin ninguna intervención humana directa gracias a una proteína artificial, la primera de su tipo, diseñada en una computadora y sintetizada en el laboratorio, que se puede usar para construir nuevos circuitos biológicos en el interiorcélulas vivas. Estos circuitos transforman las células ordinarias en células inteligentes que están dotadas de habilidades notables.
Esta nueva proteína, formalmente conocida como pRoteína de llave de jaula ortogonal enclavada, o LOCKR, se describe en un par de artículos publicados el 24 de julio en la revista Naturaleza . Y es diferente a todo lo que los biólogos, o la naturaleza misma, haya ideado alguna vez.
"Si bien muchas herramientas en el arsenal biotecnológico emplean moléculas naturales que fueron reutilizadas para su uso en el laboratorio, LOCKR no tiene contraparte en la naturaleza", dijo El-Samad, profesor de bioquímica y biofísica de la familia Kuo en UCSF y co-seniorautor de los nuevos estudios. "LOCKR es una biotecnología que fue concebida y construida por humanos de principio a fin. Esto proporciona un nivel de control sin precedentes sobre la forma en que la proteína interactúa con otros componentes de la célula, y nos permitirá comenzarabordando problemas no resueltos, y previamente irresolubles, en biología, con implicaciones importantes para la medicina y la industria ".
En su estructura, LOCKR se asemeja a un barril que, cuando se abre, revela un brazo molecular que puede ser diseñado para controlar prácticamente cualquier proceso celular. En el primero de los dos nuevos documentos, los investigadores describen brazos que pueden dirigir el tráfico molecular dentro de las células, degradar proteínas específicas e iniciar el proceso de autodestrucción de la célula.
Pero hay una trampa, literalmente. El brazo de LOCKR permanece oculto hasta que se abre el barril. Como sugiere el nombre de la proteína, el barril permanece cerrado hasta que encuentra una "llave" molecular, una proteína diseñada por científicos para encajar perfectamente en el"cerradura" del barril: eso lo abre. En ausencia de una llave, LOCKR está, en efecto, apagado, y la llave lo enciende.
La capacidad de controlar cuando LOCKR está "encendido" o "apagado" significa que se comporta de manera muy parecida a un interruptor eléctrico. Aunque los interruptores pueden parecer simples, incluso los interruptores primitivos y altamente miniaturizados son el componente básico de toda la electrónica moderna, incluyendolos complejos circuitos integrados que alimentan computadoras, iPhones y cualquier otro dispositivo inteligente. Con LOCKR, una proteína similar a un interruptor, los científicos finalmente pueden construir el equivalente biológico de tales circuitos dentro de las células.
"De la misma manera que los circuitos integrados permitieron la explosión de la industria de chips de computadora, estos interruptores biológicos versátiles y dinámicos pronto podrían desbloquear un control preciso sobre el comportamiento de las células vivas y, en última instancia, nuestra salud", dijo El-Samad, quienes también un investigador de Chan Zuckerberg Biohub.
En el segundo de los dos documentos, los investigadores describen una demostración impresionante del potencial de construcción de circuitos de la tecnología. Utilizando una versión de la herramienta llamada degronLOCKR, que se puede encender y apagar para degradar una proteína de interés, construyeron circuitosque pudieron regular dinámicamente la actividad celular en respuesta a las señales del entorno interno y externo de la célula.
Cuando los circuitos, que incluían un sensor codificado genéticamente, detectaron una interrupción de la actividad celular normal, degronLOCKR respondió destruyendo las proteínas que dirigen el "software" celular que causó la interrupción, hasta que la célula volvió a la normalidad, un proceso que recuerdade cómo los termostatos detectan continuamente la temperatura ambiente y dirigen los sistemas de HVAC para que se apaguen o enciendan para mantener la temperatura deseada.
Pero usar degronLOCKR para construir nuevos circuitos biológicos como este en las células es más que un truco de salón de bioingeniería. Según Andrew Ng, PhD, coautor de los dos estudios que recientemente completó su investigación doctoral en el laboratorio de El-Samad,El potencial de la tecnología es prácticamente ilimitado.
"LOCKR, y más específicamente, degronLOCKR, abre un nuevo campo de posibilidades para la programación de células para tratar una amplia gama de condiciones debilitantes para las que aún no hay tratamientos seguros y efectivos", dijo Ng, quien trabajó con El-Samada través del Programa de Posgrado en Bioingeniería de UC Berkeley-UCSF: "Con estas tecnologías, solo estamos limitados por nuestra imaginación".
Con ese fin, El-Samad, Ng y sus colaboradores ahora están construyendo células inteligentes basadas en degronLOCKR que podrían tratar una variedad de enfermedades y dolencias, incluida la lesión cerebral traumática TBI, una condición que ejemplifica el problema de Ricitos de Oro de la medicina.
Cuando el cerebro incurre en una lesión traumática, el cuerpo responde activando una respuesta inflamatoria vigorosa. Aunque la inflamación es una parte esencial del proceso de curación del cuerpo, en TBI, los niveles de inflamación pueden superar con creces lo que es necesario, o incluso saludable. En muchos casosde TBI, la inflamación alcanza niveles peligrosos que dejan el cerebro dañado permanentemente.
Aunque los médicos pueden administrar medicamentos para controlar esta situación, a menudo provocan que la inflamación caiga a niveles tan bajos que impiden la curación cerebral adecuada. Con la LCT, ni las propias defensas del cuerpo ni la medicina moderna pueden alcanzar el nivel "justo" de Ricitos de Oro.inflamación: no demasiado alta, ni demasiado baja, pero suficiente para maximizar la curación sin causar daño permanente.
Ahí es donde degronLOCKR puede ayudar. Los investigadores creen que pronto podrán transformar las células de un paciente en células inteligentes mediante la instalación de circuitos basados en degronLOCKR que están diseñados para detectar la inflamación y modular la actividad del sistema inmunitario. La esperanza esque cuando estas células modificadas vuelvan al cuerpo del paciente, mantendrán la inflamación dentro de la zona terapéutica estrecha.
Pero la LCT no es la única condición que los científicos están abordando con esta tecnología. El-Samad cree que algún día podrían desplegarse células inteligentes para tratar una amplia gama de enfermedades que actualmente no se pueden tratar, desde cánceres que son impermeables hasta las últimasmedicamentos y terapias celulares para enfermedades autoinmunes para las cuales todavía no hay terapias disponibles.
"Al usar degronLOCKR y moléculas similares que están programadas para el desarrollo futuro, podremos componer circuitos cada vez más sofisticados, que muy bien pueden introducir una nueva generación de terapias de células vivas inteligentes, precisas y robustas", El-Samaddijo.
Los autores adicionales en el primer artículo incluyen a Robert A. Langan, Scott E. Boyken, Marc J. Lajoie, Zibo Chen, Stephanie Berger y Vikram Khipple Mulligan en el Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington; Jennifer A. Samson yJohn E. Dueber en UC Berkeley, Galen Dods, Alexandra M. Westbrook y Taylor H. Nguyen en UCSF, y Walter RP Novak en Wabash College. Otros autores en el segundo artículo incluyen Taylor H. Nguyen, Mariana Gómez-Schiavon y Galen Dodsen UCSF; Robert A. Langan y Scott E. Boyken en el Instituto de Diseño de Proteínas de la Universidad de Washington; Jennifer A. Samson, Lucas M. Waldburger y John E. Dueber de UC Berkeley.
La investigación fue respaldada por la Fundación de Investigación de Washington, el Fondo Burroughs Wellcome, una subvención BER IDAT del Departamento de Energía DEWAC02W05CH11231, el ALSW ENABLE GM124169W01 respaldado por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales y un contrato de la Agencia de Proyectos de Investigación de Defensa AvanzadaHR0011W16W2W0045.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California San Francisco . Original escrito por Jason Alvarez. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cite esta página :