MIT McGovern smegenų tyrimų instituto ir MIT bei Harvardo plataus instituto mokslininkai panaudojo natūralią bakterijų sistemą, kad sukurtų naują baltymų tiekimo metodą, kuris veiktų žmogaus ląstelėse ir gyvūnuose. Šiandien aprašyta technologija Gamta, gali būti užprogramuotas tiekti įvairius baltymus, įskaitant skirtus genų redagavimui, į skirtingus ląstelių tipus. Sistema gali būti saugus ir efektyvus būdas teikti genų terapiją ir vėžio terapiją.
Vadovaujama MIT docento Feng Zhang, kuris yra McGovern instituto tyrėjas ir Broad Institute pagrindinis narys, komanda pasinaudojo maža į švirkštą panašia įpurškimo struktūra, kurią pagamino bakterija. natūraliai jungiasi su vabzdžių ląstelėmis ir suleidžia į jas naudingą baltymų kiekį. Tyrėjai naudojo dirbtinio intelekto įrankį AlphaFold, kad sukurtų šias švirkštų struktūras, kad būtų tiekiami įvairūs naudingi baltymai tiek žmogaus, tiek gyvų pelių ląstelėms.
„Tai tikrai puikus pavyzdys, kaip baltymų inžinerija gali pakeisti natūralios sistemos biologinį aktyvumą“, – sako Josephas Kreitzas, pirmasis tyrimo autorius, MIT biologinės inžinerijos absolventas ir Zhang laboratorijos narys. „Manau, kad tai patvirtina baltymų inžineriją kaip naudingą priemonę bioinžinerijoje ir kuriant naujas terapines sistemas.
„Terapinių molekulių pristatymas yra pagrindinė medicinos kliūtis, todėl mums reikės daug galimybių, kad šios galingos naujos terapijos patektų į tinkamas kūno ląsteles“, – priduria Zhang. „Mokydami iš to, kaip gamta transportuoja baltymus, galėjome sukurti naują platformą, kuri gali padėti išspręsti šią spragą.
Zhang yra vyresnysis tyrimo autorius, taip pat yra Jamesas ir Patricia Poitras, MIT neurologijos profesorius ir Howardo Hugheso medicinos instituto tyrėjas.
Injekcija per susitraukimą
Simbiotinės bakterijos naudoja maždaug 100 nanometrų ilgio į švirkštą panašius aparatus, kad sušvirkštų baltymus į šeimininko ląsteles, kad padėtų pakoreguoti jų aplinkos biologiją ir pagerinti jų išgyvenimą. Šios mašinos, vadinamos tarpląstelinėmis susitraukiančiomis įpurškimo sistemomis (eCIS), susideda iš standaus vamzdelio, esančio apvalkalo viduje, kuris susitraukia, per ląstelės membraną nukreipdamas vamzdelio gale esantį smaigalį. Dėl to vamzdelio viduje esantis baltymas patenka į ląstelę.
Vieno eCIS galo išorėje yra uodegos skaidulos, kurios atpažįsta specifinius receptorius ląstelės paviršiuje ir užsifiksuoja. Ankstesni tyrimai parodė, kad eCIS gali natūraliai nusitaikyti į vabzdžių ir pelių ląsteles, tačiau Kreitzas manė, kad gali būti įmanoma jas modifikuoti, kad jos būtų tiekiamos baltymams į žmogaus ląsteles, pertvarkant uodegos pluoštus, kad jie prisijungtų prie skirtingų receptorių.
Naudodami AlphaFold, kuri numato baltymo struktūrą pagal jo aminorūgščių seką, mokslininkai perkūrė eCIS uodegos pluoštus, kuriuos pagamino Photorhabdus bakterijoms prisijungti prie žmogaus ląstelių. Atnaujindami kitą komplekso dalį, mokslininkai apgaule apgavo švirkštą, kad būtų tiekiamas jų pasirinktas baltymas, o kai kuriais atvejais nepaprastai didelis efektyvumas.
Komanda sukūrė eCIS, kurios buvo nukreiptos į vėžines ląsteles, ekspresuojančias EGF receptorius, ir parodė, kad jos nužudė beveik 100 procentų ląstelių, tačiau nepaveikė ląstelių be receptoriaus. Nors efektyvumas iš dalies priklauso nuo receptoriaus, kuriam skirta sistema, Kreitzas teigia, kad išvados rodo sistemos žadą su apgalvota inžinerija.
Tyrėjai taip pat naudojo eCIS, kad pristatytų baltymus į gyvų pelių smegenis, kur jis nesukėlė aptinkamo imuninio atsako, o tai rodo, kad eCIS vieną dieną galėtų būti panaudotos saugiai genų terapijai žmonėms pristatyti.
Pakuotės baltymai
Kreitzas sako, kad eCIS sistema yra universali ir komanda jau naudojo ją pristatydama įvairius krovinius, įskaitant bazinius redaktoriaus baltymus (kurie gali pakeisti DNR viena raide), baltymus, kurie yra toksiški vėžinėms ląstelėms, ir Cas9, didelį DNR pjovimo fermentas, naudojamas daugelyje genų redagavimo sistemų.
Ateityje Kreitzas teigia, kad mokslininkai galėtų sukurti kitus eCIS sistemos komponentus, kad sureguliuotų kitas savybes arba pristatytų kitus krovinius, tokius kaip DNR ar RNR. Jis taip pat nori geriau suprasti šių sistemų funkciją gamtoje.
„Mes ir kiti parodėme, kad tokio tipo sistemos yra neįtikėtinai įvairios biosferoje, tačiau jos nėra labai gerai apibūdintos”, – sakė Kreitzas. „Ir mes manome, kad tokio tipo sistema vaidina tikrai svarbų vaidmenį biologijoje, kuri dar turi būti ištirta.”
Šį darbą iš dalies parėmė Nacionaliniai sveikatos institutai, Howardo Hugheso medicinos institutas, MIT Poitraso psichikos sutrikimų tyrimų centras, MIT Hock E. Tan ir K. Lisa Yang autizmo tyrimų centras, K. Lisa Yang ir Hock E. Tan Molekulinės terapijos centras MIT, K. Lisa Yang smegenų ir kūno centras MIT, Broad Institute Programable Therapeutics Gift Donors, The Pershing Square Foundation, William Ackman, Neri Oxman, J. and P. Poitras, Kenneth C. Griffin , BT Charitable Foundation, Asness Family Foundation, Phillipso šeima, D. Cheng ir R. Metcalfe.
