Muchas proteínas son útiles como medicamentos para trastornos como la diabetes, el cáncer y la artritis. Sintetizar versiones artificiales de estas proteínas es un proceso que lleva mucho tiempo y requiere ingeniería genética de microbios u otras células para producir la proteína deseada.
Los químicos del MIT han ideado un protocolo para reducir drásticamente la cantidad de tiempo necesario para generar proteínas sintéticas. Su máquina de síntesis de flujo automatizada de mesa puede unir cientos de aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, en cuestión de horas. Los investigadores creen que su nueva tecnologíapodría acelerar la fabricación de terapias a pedido y el desarrollo de nuevos medicamentos, y permitir a los científicos diseñar proteínas artificiales mediante la incorporación de aminoácidos que no existen en las células.
"Podrías diseñar nuevas variantes que tengan una función biológica superior, habilitada mediante el uso de aminoácidos no naturales o modificaciones especializadas que no son posibles cuando usas el aparato de la naturaleza para producir proteínas", dice Brad Pentelute, profesor asociado de química enMIT y el autor principal del estudio.
En un documento que aparece hoy en ciencia , los investigadores demostraron que podían producir químicamente varias cadenas de proteínas de hasta 164 aminoácidos de longitud, incluidas enzimas y factores de crecimiento. Para un puñado de estas proteínas sintéticas, realizaron un análisis detallado que muestra que su función es comparable a la de suscontrapartes naturales.
Los autores principales del artículo son la ex postdoc MIT Nina Hartrampf, quien ahora es profesora asistente en la Universidad de Zúrich, la estudiante graduada del MIT Azin Saebi y la ex asociada técnica del MIT Mackenzie Poskus.
Productio rápido n
La mayoría de las proteínas que se encuentran en el cuerpo humano tienen una longitud de hasta 400 aminoácidos. Sintetizar grandes cantidades de estas proteínas requiere entregar genes para las proteínas deseadas en las células que actúan como fábricas vivas. Este proceso se utiliza para programar células bacterianas o de levadurapara producir insulina y otras drogas como las hormonas de crecimiento.
"Este es un proceso que lleva mucho tiempo", dice Thomas Nielsen, jefe de química de investigación en Novo Nordisk, quien también es autor del estudio. "Primero necesita el gen disponible, y necesita saber algo sobre la célulabiología del organismo para que pueda diseñar la expresión de su proteína "
Un enfoque alternativo para la producción de proteínas, propuesto por primera vez en la década de 1960 por Bruce Merrifield, quien más tarde recibió el Premio Nobel de química por su trabajo en la síntesis de péptidos en fase sólida, es unir químicamente aminoácidos de manera gradual.son 20 aminoácidos que las células vivas usan para construir proteínas, y usando las técnicas iniciadas por Merrifield, lleva aproximadamente una hora realizar las reacciones químicas necesarias para agregar un aminoácido a una cadena peptídica.
En los últimos años, el laboratorio de Pentelute ha inventado un método más rápido para realizar estas reacciones, basado en una tecnología conocida como química de flujo. En su máquina, los químicos se mezclan usando bombas y válvulas mecánicas, y en cada paso de la síntesis generalhaga un ciclo a través de un reactor calentado que contiene un lecho de resina. En el protocolo optimizado, la formación de cada enlace peptídico lleva un promedio de 2.5 minutos, y los péptidos de hasta 25 aminoácidos de largo pueden ensamblarse en menos de una hora.
Tras el desarrollo de esta tecnología, Novo Nordisk, que fabrica varios fármacos proteicos, se interesó en trabajar con el laboratorio de Pentelute para sintetizar péptidos y proteínas más largos. Para lograrlo, los investigadores necesitaban mejorar la eficiencia de las reacciones que forman enlaces peptídicosentre aminoácidos en la cadena. Para cada reacción, su índice de eficiencia anterior era entre 95 y 98 por ciento, pero para proteínas más largas, necesitaban que fuera superior al 99 por ciento.
"La razón era que si nos volviéramos realmente buenos haciendo péptidos, podríamos expandir la tecnología para producir proteínas", dice Pentelute. "La idea es tener una máquina a la que un usuario pueda acercarse y poner una secuencia de proteínas,y uniría estos aminoácidos de una manera tan eficiente que al final del día, puede obtener la proteína que desea. Ha sido muy difícil porque si la química no está cerca del 100 por ciento en cada paso,no obtener ninguno del material deseado "
Para aumentar su tasa de éxito y encontrar la receta óptima para cada reacción, los investigadores realizaron reacciones de acoplamiento específicas de aminoácidos en muchas condiciones diferentes. En este estudio, reunieron un protocolo universal que logró una eficiencia promedio superior al 99 por ciento paraCada reacción, que hace una diferencia significativa cuando se unen tantos aminoácidos para formar proteínas grandes, dicen los investigadores.
"Si desea producir proteínas, este 1 por ciento adicional realmente marca la diferencia, porque los subproductos se acumulan y necesita una alta tasa de éxito por cada aminoácido incorporado", dice Hartrampf.
Utilizando este enfoque, los investigadores pudieron sintetizar una proteína que contiene 164 aminoácidos: Sortase A, una proteína bacteriana. También produjeron proinsulina, un precursor de insulina con 86 aminoácidos y una enzima llamada lisozima, que tiene 129aminoácidos, así como algunas otras proteínas. La proteína deseada tiene que purificarse y luego plegarse en la forma correcta, lo que agrega unas horas más al proceso de síntesis general. Todas las proteínas sintetizadas purificadas se obtuvieron en cantidades de miligramos,representando entre 1 y 5 por ciento del rendimiento total.
Química medicinal
Los investigadores también probaron las funciones biológicas de cinco de sus proteínas sintéticas y descubrieron que eran comparables a las de las variantes biológicamente expresadas.
La capacidad de generar rápidamente cualquier secuencia de proteína deseada debería permitir un desarrollo y prueba de drogas más rápido, dicen los investigadores. La nueva tecnología también permite que los aminoácidos distintos de los 20 codificados por el ADN de las células vivas se incorporen a las proteínas, expandiendo enormementediversidad estructural y funcional de posibles fármacos proteicos que podrían crearse.
"Esto está allanando el camino para un nuevo campo de la química de las proteínas medicinales", dice Nielsen. "Esta tecnología realmente complementa lo que está disponible para la industria farmacéutica, proporcionando nuevas oportunidades para el descubrimiento rápido de productos biofarmacéuticos basados en péptidos y proteínas".
Los investigadores ahora están trabajando para mejorar aún más la tecnología para que pueda ensamblar cadenas de proteínas de hasta 300 aminoácidos de largo. También están trabajando en la automatización de todo el proceso de fabricación, de modo que una vez que se sintetiza la proteína, la escisión, la purificación,y los pasos plegables también ocurren sin necesidad de intervención humana.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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