Todos los seres vivos requieren proteínas, miembros de una vasta familia de moléculas que la naturaleza "hace por encargo" de acuerdo con los planos en el ADN.
A través del proceso natural de evolución, las mutaciones de ADN generan proteínas nuevas o más efectivas. Los humanos han encontrado tantos usos alternativos para estas moléculas, como alimentos, enzimas industriales, medicamentos contra el cáncer, que los científicos están ansiosos por comprender mejor cómodiseñar variantes de proteínas diseñadas para usos específicos.
Ahora los ingenieros de Stanford han inventado una técnica para acelerar dramáticamente la evolución de proteínas para este propósito. Esta tecnología, descrita en Biología química de la naturaleza , permite a los investigadores probar millones de variantes de una proteína determinada, elegir la mejor para alguna tarea y determinar la secuencia de ADN que crea esta variante.
"La evolución, la supervivencia del más apto, tiene lugar en un lapso de miles de años, pero ahora podemos dirigir las proteínas a evolucionar en horas o días", dijo Jennifer Cochran, profesora de bioingeniería que fue coautora del artículo conThomas Baer, director del Centro de Investigación de Fotónica de Stanford.
"Este es un sistema práctico y versátil con amplias aplicaciones que los investigadores encontrarán fácil de usar", dijo Baer.
Al combinar los conocimientos de ingeniería de proteínas de Cochran con la experiencia de Baer en instrumentación basada en láser, el equipo creó una herramienta que puede probar millones de variantes de proteínas en cuestión de horas.
"Las demostraciones son impresionantes y espero ver que esta tecnología sea más ampliamente adoptada", dijo Frances Arnold, profesora de ingeniería química en Caltech que no estaba afiliada al estudio.
Haciendo un millón de mutantes
Los investigadores llaman a su herramienta µSCALE, o Análisis de células individuales y extracción con láser.
El "µ" representa el portaobjetos de vidrio microcapilar que contiene las muestras de proteínas. El portaobjetos tiene aproximadamente el tamaño y el grosor de un centavo, pero en ese espacio hay un millón de tubos capilares dispuestos como pajillas, abiertos en la parte superior e inferior.
El poder de µSCALE es cómo permite a los investigadores aprovechar las técnicas bioquímicas actuales para realizar un millón de experimentos de proteínas simultáneamente, luego extraer y analizar aún más los resultados más prometedores.
Los investigadores primero emplean un proceso denominado "mutagénesis" para crear variaciones aleatorias en un gen específico. Estas mutaciones se insertan en lotes de levadura o células bacterianas, que expresan el gen alterado y producen millones de variantes de proteínas al azar.
Un usuario de µSCALE mezcla millones de pequeñas cuentas de vidrio opaco en una muestra que contiene millones de levaduras o bacterias y extiende la mezcla en un portaobjetos microcapilar. Pequeñas cantidades de líquido gotean en cada tubo, transportando células individuales. La tensión superficial atrapa el líquido y elcélula en cada capilar.
El portaobjetos que contiene estos millones de levaduras o bacterias, y las variantes de proteínas que producen, se inserta en el dispositivo µSCALE. Un microscopio controlado por software mira dentro de cada capilar y toma imágenes de la reacción bioquímica que ocurre allí.
Una vez que un usuario de µSCALE identifica un capilar de interés, el investigador puede dirigir el láser para extraer el contenido de ese tubo sin interrumpir a sus vecinos, utilizando un método ingenioso ideado por Baer.
"Las cuentas son las que permiten la extracción", dijo Baer. "El láser suministra energía para mover las cuentas, lo que rompe la tensión superficial y libera la muestra del capilar".
Por lo tanto, µSCALE vacía el contenido de un solo capilar en una placa colectora, donde se puede secuenciar el ADN de la célula aislada y se puede identificar la variante genética responsable de la proteína de interés.
"Una de las características únicas de µSCALE es que permite a los investigadores aislar rápidamente una sola célula deseada de cientos de miles de otras células", dijo Bob Chen, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Cochran que escribió el software para examinar y detectar signosde actividad proteica interesante dentro de los tubos de ensayo.
Las variantes prometedoras se pueden recolectar y reprocesar a través de µSCALE para evolucionar y optimizar aún más la proteína.
"Esta es una herramienta nueva y emocionante para responder preguntas importantes sobre las proteínas", dijo Cochran, comparando µSCALE con la forma en que las herramientas de alto rendimiento para el análisis de genes han permitido a los investigadores desbloquear características clave de la biología subyacente a la enfermedad humana.
Génesis y pruebas
El proyecto comenzó hace cinco años cuando Baer y su colaborador Ivan Dimov desarrollaron el primer instrumento. Mostraron cómo identificar los tipos de células en una matriz microcapilar y extraer el contenido de un solo capilar usando perlas de vidrio y un láser enfocado.
Hace aproximadamente tres años, Cochran y Baer unieron fuerzas para desarrollar µSCALE para la ingeniería de proteínas, y el equipo ideó tres experimentos para mostrar la utilidad y flexibilidad de µSCALE.
En un experimento, los investigadores examinaron una biblioteca de proteínas producida en células de levadura para seleccionar anticuerpos que se unen más estrechamente a un objetivo de cáncer. Se sabe que los anticuerpos con una alta afinidad de unión al objetivo son eficaces contra el cáncer.
En un segundo ejemplo, diseñaron un biosensor de proteína fluorescente de color naranja brillante. Utilizando µSCALE, lo hicieron casi 10 veces más rápido que los métodos anteriores. Dichos biosensores a menudo se usan como etiquetas en una amplia variedad de experimentos biológicos.
Un tercer experimento, realizado con el profesor de bioquímica de Stanford, Daniel Herschlag, usó µSCALE para mejorar una enzima modelo.
"Este sistema nos permitirá explorar las relaciones evolutivas y funcionales entre enzimas, guiando la ingeniería de nuevas enzimas que pueden llevar a cabo nuevas reacciones beneficiosas", dijo Herschlag.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería de Stanford . Original escrito por Ramin Skibba. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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