Si le pregunta a Michael Jewett de Northwestern Engineering, el potencial de la expresión génica libre de células siempre ha tenido sentido. Arranque la pared de la célula, recolecte su interior y enseñe al catalizador celular a producir nuevos tipos de moléculas y procesos biológicos sinLas limitaciones evolutivas del uso de células vivas intactas.
Pero hace menos de 20 años, este floreciente campo dentro de la biología sintética todavía tenía mucho que demostrar.
"La gente pensaba que estábamos locos", dijo Jewett, profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick. "Cuando era un estudiante graduado, la idea de hacer una proteína terapéutica era tan oscura. En el mejor de los casos, eraalgo que no sería lo suficientemente rentable como para ser útil, o el sistema no iba a producir suficiente proteína para hacer algo que valiera la pena "
En un artículo de revisión publicado el 29 de noviembre en la revista Nature Reviews Genetics , Jewett, director del Centro de Biología Sintética de Northwestern, explora cómo la ingeniería libre de células evolucionó de una herramienta de investigación especializada a la columna vertebral de una variedad de aplicaciones en biología sintética que tienen un impacto dramático en la sociedad, desde el medio ambiente hasta la medicina y la educación.
Ahora, la biología sintética despierta un gran interés. "Las industrias comerciales están surgiendo en torno a estas tecnologías. Las agencias de subvención están viendo la importancia", dijo. "El momento de los sistemas libres de células está aquí. Es ahora".
Un renacimiento técnico
Si bien la expresión génica libre de células se ha utilizado como herramienta de investigación durante más de 50 años, su potencial transformador se ha visto limitado por varias limitaciones, que incluyen rendimientos de síntesis de proteínas bajas y variables, duraciones de reacción cortas y escalas de reacción pequeñas.luchó contra las dudas de que controlar el entorno de reacción dentro de las células permanecería fuera del alcance.
Sin embargo, en los últimos 20 años, los investigadores de biología sintética han abierto gradualmente la cortina del potencial de expresión génica libre de células, descubriendo nuevos conocimientos en el laboratorio que han llevado a nuevas eficiencias y aplicaciones fuera de él, desde los biosensores hasta la mediday monitorear contaminantes ambientales en recursos naturales para terapias dirigidas para tratar enfermedades.
Jewett y sus colaboradores, por ejemplo, desarrollaron recientemente una plataforma de síntesis de proteínas sin células de un solo recipiente de alto rendimiento derivada de una cepa genéticamente codificada de Escherichia coli. El sistema no solo está optimizado para producir el mayor rendimiento de expresión de reacción por lotes de unproteína hasta la fecha, pero la plataforma puede producir proteínas con aminoácidos no canónicos, expandiendo la química genéticamente codificada disponible para las proteínas y abriendo la puerta para crear nuevos tipos de enzimas, materiales y terapias.
"Al tener una plataforma que permite la expresión génica de alto nivel en un solo uso, el proceso se vuelve mucho más democratizado", dijo Jewett. "Eso es emocionante, porque con suerte facilitará que otros laboratorios usen la célulalibres de genes ".
Noroeste a la vanguardia
Como la biología sintética libre de células ha crecido en importancia, también lo ha hecho el Centro de Biología Sintética de Northwestern. Lanzado en 2016 para reunir a las mentes más brillantes en el campo y proporcionar un ecosistema de apoyo para la investigación y la educación, el centro se ha establecido rápidamentecomo líder de la investigación de sistemas libres de células y el desarrollo tecnológico.
"El centro se ha convertido orgánicamente en uno de los principales centros de biología sintética en los Estados Unidos y tal vez en el mundo", dijo Jewett, profesor de excelencia docente de Charles Deering McCormick. "A medida que nuestro equipo se ha unido, hemos pensadosobre temas de investigación que no solo nos conectan, sino que también posicionan a Northwestern con una fuerza particular, y han surgido sistemas libres de células "
Los avances recientes de la facultad del centro han ampliado aún más los límites de la ingeniería libre de células. Jewett y Milan Mrksich, Henry Wade Rogers Profesor de Ingeniería Biomédica, por ejemplo, colaboraron en un método para producir enzimas rápidamente y analizar sus reacciones. El sistema, que combina la tecnología de síntesis de proteínas sin células de Jewett con la plataforma de espectrometría de masas SAMDI de Mrksich, ayudará a los biólogos sintéticos a diseñar moléculas más complejas más rápido que nunca.
Neha Kamat, profesora asistente de ingeniería biomédica, demostró recientemente la primera instancia del uso de sistemas libres de células para impulsar selectivamente la fusión de nanopartículas lipídicas, un portador emergente para la entrega de fármacos, abriendo la puerta a nuevos y complejos tipos dereacciones bioquímicas Danielle Tullman-Ercek, profesora asociada de ingeniería química y biológica, está descubriendo nuevas reglas que rigen la función de los sistemas de microcompartimentos como los virus, que podrían servir como vasos para administrar proteínas terapéuticas derivadas de sistemas libres de células a ubicaciones específicas en el cuerpoJoshua Leonard, profesor asociado de ingeniería química y biológica, está estudiando la interfaz de la biología sintética y la biología de sistemas para lograr la medicina basada en el diseño. A principios de este año, presidió el Sexto Taller Internacional de Biología Sintética de Mamíferos organizado en Northwestern.
El trabajo del centro también toca el espacio de inicio. Stemloop nació del laboratorio de Julius Lucks, profesor asociado de ingeniería química y biológica. La compañía aplica la misión de investigación de Lucks para comprender cómo los sistemas celulares perciben y responden a sus entornos a través de una plataformade tecnologías, incluida una centrada en el monitoreo ambiental de la calidad del agua. Jewett también comenzó recientemente SwiftScale Biologics, que busca acelerar la llegada de un medicamento al mercado utilizando sistemas libres de células.
Sherlock Biosciences, iniciado por James Collins, miembro del consejo asesor del Centro de Biología Sintética, utiliza plataformas de biología de ingeniería para crear pruebas de diagnóstico médico mejores, más rápidas y asequibles.
"La tecnología está lista para ser aplicada fuera del laboratorio para abordar problemas sociales, y las empresas están surgiendo para darles una sacudida justa en el mercado", dijo Jewett. "Lo que la gente pensaba que alguna vez fue completamente imposible está demostrando ser más queposible."
un vistazo de lo que está por venir
La próxima década dará la bienvenida a hitos aún mayores, gracias en parte a las crecientes colaboraciones de investigación, dijo Jewett.
Northwestern está trabajando con LanzaTech y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en un proyecto de varios años respaldado por el Departamento de Energía para aprovechar clostridios, una bacteria que metaboliza el carbono, para producir combustibles sostenibles. Jewett y su laboratorio, unidos porKeith Tyo, profesor asociado de ingeniería química y biológica, y Linda Broadbelt, profesora de ingeniería química y biológica Sarah Rebecca Roland, están utilizando algoritmos de diseño computacional e ingeniería libre de células para crear rápidamente prototipos de miles de posibles diseños de vías biosintéticas que podrían optimizar la producción de clostridios debiocombustibles
"Lo que le llevaría a LanzaTech meses diseñar y probar, nuestro laboratorio puede hacerlo en días, gracias a los sistemas libres de células", dijo Jewett.
Jewett también prevé una expansión de la educación en biología sintética a través de oportunidades de aprendizaje experimental en las aulas de secundaria y preparatoria. Cientos de escuelas de todo el mundo quieren incorporar su conjunto de kits educativos BioBits, desarrollado en colaboración con el MIT y el Instituto Wyss enHarvard: en los currículos de ciencias. Los kits interactivos, ahora utilizados en docenas de aulas de Evanston y Chicago, equipan a los estudiantes para realizar experimentos de biología sintética y molecular mediante la adición de agua y reactivos simples a reacciones sin células liofilizadas.
"Es muy importante que brindemos oportunidades de capacitación a los estudiantes, por lo que están entusiasmados por apoyar y contribuir a la bioeconomía emergente", dijo.
¿Y qué hay de la primera terapéutica aprobada por la FDA respaldada por un sistema libre de células? A medida que las empresas mejoran la capacidad de escalar la producción de proteínas modificadas, Jewett espera que las terapias modificadas se trasladen a las clínicas.
"Un producto aprobado por la FDA ciertamente será un momento decisivo", dijo, "y creo que llegará en la próxima década".
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Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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