Un equipo de investigadores de la Universidad de Toronto Engineering y la Universidad de Michigan ha rediseñado y mejorado una enzima natural que parece prometedora para promover el recrecimiento del tejido nervioso después de una lesión.
Su nueva versión es más estable que la proteína que se produce en la naturaleza y podría conducir a nuevos tratamientos para revertir el daño nervioso causado por una lesión traumática o un derrame cerebral.
"El accidente cerebrovascular es la principal causa de discapacidad en Canadá y la tercera causa principal de muerte", dice Molly Shoichet, profesora de ingeniería de la Universidad de Toronto y autora principal de un nuevo estudio publicado en la revista avances científicos .
"Uno de los mayores desafíos para la curación después de este tipo de lesión nerviosa es la formación de una cicatriz glial".
Una cicatriz glial está formada por células y sustancias bioquímicas que se unen estrechamente alrededor del nervio dañado. A corto plazo, este entorno protector protege a las células nerviosas de una lesión mayor, pero a largo plazo puede inhibir la reparación nerviosa.
Hace aproximadamente dos décadas, los científicos descubrieron que una enzima natural conocida como condroitinasa ABC, producida por una bacteria llamada Proteus vulgaris, puede degradar selectivamente algunas de las biomoléculas que forman la cicatriz glial.
Al cambiar el entorno alrededor del nervio dañado, se ha demostrado que la condroitinasa ABC promueve el recrecimiento de las células nerviosas. En modelos animales, incluso puede llevar a recuperar parte de la función perdida.
Pero el progreso se ha visto limitado por el hecho de que la condroitinasa ABC no es muy estable en los lugares donde los investigadores quieren usarla.
"Es lo suficientemente estable para el entorno en el que viven las bacterias, pero dentro del cuerpo es muy frágil", dice Shoichet. "Se agrega o se agrupa, lo que hace que pierda actividad. Esto sucede más rápido a la temperatura corporal quea temperatura ambiente. También es difícil administrar condroitinasa ABC porque es susceptible a la degradación química y las fuerzas de cizallamiento típicamente utilizadas en las formulaciones ".
Varios equipos, incluido el de Shoichet, han experimentado con técnicas para superar esta inestabilidad. Algunos han intentado envolver la enzima en polímeros biocompatibles o unirla a nanopartículas para evitar que se agregue. Otros han intentado infundirla en el tejido dañado de forma lenta y gradual, enpara asegurar una concentración constante en el lugar de la lesión.
Pero todos estos enfoques son meras curitas; no abordan el problema fundamental de la inestabilidad.
En su último artículo, Shoichet y sus colaboradores probaron un nuevo enfoque: alteraron la estructura bioquímica de la enzima para crear una versión más estable.
"Como cualquier proteína, la condroitinasa ABC está formada por bloques de construcción llamados aminoácidos", dice Shoichet. "Usamos la química computacional para predecir el efecto de intercambiar algunos bloques de construcción por otros, con el objetivo de aumentar la estabilidad general mientrasmantener o mejorar la actividad de la enzima ".
"La idea fue probablemente un poco loca, porque al igual que en la naturaleza, una sola mutación mala puede arruinar la estructura", dice Mathew O'Meara, profesor de medicina computacional y bioinformática en la Universidad de Michigan, y codirectorautor del nuevo artículo.
"Hay más de 1,000 eslabones en la cadena que forma esta enzima, y por cada eslabón tiene 20 aminoácidos para elegir", dice. "Hay demasiadas opciones para simularlas todas".
Para reducir el espacio de búsqueda, el equipo aplicó algoritmos informáticos que imitaban los tipos de sustituciones de aminoácidos que se encuentran en organismos reales. Este enfoque, conocido como diseño de consenso, produce formas mutantes de la enzima que no existen en la naturaleza., pero son plausiblemente como los que lo hacen.
Al final, el equipo terminó con tres nuevas formas candidatas de la enzima que luego se produjeron y probaron en el laboratorio. Las tres eran más estables que el tipo salvaje, pero solo una, que tenía 37 sustituciones de aminoácidos demás de 1.000 eslabones en la cadena, era más estable y más activa.
"La condroitinasa ABC de tipo salvaje pierde la mayor parte de su actividad en 24 horas, mientras que nuestra enzima rediseñada está activa durante siete días", dice Marian Hettiaratchi, la otra coautora principal del artículo. Un ex becario postdoctoral en Shoichet'slaboratorio, Hettiaratchi es ahora profesor de bioingeniería en el campus Phil y Penny Knight de la Universidad de Oregón para acelerar el impacto científico.
"Esta es una gran diferencia. Se espera que nuestra enzima mejorada degrade aún más eficazmente la cicatriz glial que la versión comúnmente utilizada por otros grupos de investigación", dice Hettiaratchi.
El siguiente paso será implementar la enzima en los mismos tipos de experimentos en los que se utilizó anteriormente el tipo salvaje.
"Cuando comenzamos este proyecto, nos aconsejaron que no lo intentáramos, ya que sería como buscar una aguja en un pajar", dice Shoichet. "Habiendo encontrado esa aguja, estamos investigando esta forma de la enzima en nuestros modelos deaccidente cerebrovascular y lesión de la médula espinal para comprender mejor su potencial como terapéutico, ya sea solo o en combinación con otras estrategias ".
Shoichet señala la naturaleza multidisciplinaria del proyecto como clave para su éxito.
"Pudimos aprovechar la experiencia complementaria de los autores para llevar a buen término este proyecto, y nos sorprendió y nos alegró mucho tener tanto éxito", dice. "Fue mucho más allá de nuestras expectativas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias e Ingeniería Aplicadas de la Universidad de Toronto . Original escrito por Tyler Irving. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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