Il nostro vecchio amico Saccharomyces cerevisiae – il lievito che ha aiutato le persone a cuocere il pane e la birra per millenni – ha appena avuto una vita sessuale migliorata.

I bioingegneri dell'Università di Washington hanno riprogrammato le abitudini di accoppiamento di questo organismo unicellulare, lasciando che il fungo se ne occupi come mai prima d'ora. Il risultato? Una rivoluzione sessuale che potrebbe portare gli scienziati a farmaci futuri più sicuri.

Lievito come cavia da laboratorio

Facciamo già affidamento sul lievito per molto di più del semplice cibo fermentato. Gran parte della nostra moderna comprensione della genetica e della biologia cellulare deriva da un attento studio e manipolazione del fungo.

Scienziati e progettisti di farmaci adorano lavorare con il lievito a causa del suo ciclo cellulare rapido (una nuova generazione nasce ogni 90 minuti) e della relativa facilità con cui i suoi geni possono essere modificati. Anche i geni umani e i geni che codificano per farmaci a base di proteine ​​possono essere uniti, consentendo ai ricercatori di studiarli in dettaglio in laboratorio. I farmaci antitumorali sono stati ottimizzati in questo modo.

Una delle tecniche più popolari per questo tipo di ricerca biomolecolare è nota come visualizzazione della superficie del lievito. Usando questo metodo, un gene può essere aggiunto al lievito e la proteina che ne risulta apparirà sulla superficie esterna facilmente accessibile della cellula. Con una nuova proteina visualizzata sulla superficie, i ricercatori possono facilmente determinare con quali altre biomolecole la proteina interagisce.

Questo metodo, pioniere nel laboratorio di Dane Wittrup, sfrutta aspetti del meccanismo sessuale del fungo.

Sì, anche i microbi unicellulari possono avere rapporti sessuali. Ma come spesso accade al di fuori del regno animale, il modo in cui il DNA viene scambiato può sembrare insolito per gli osservatori umani.

fornicazione fungina

I termini "maschio" e "femmina" non si applicano davvero al lievito in erba. Invece di formare spermatozoi o uova, le cellule sessuali del lievito sembrano tutte uguali - come minuscole, blob unicellulari. Ciò che rende due macchie di lievito in grado di riprodursi sessualmente sono i loro cosiddetti tipi di accoppiamento.

Le proteine ​​che decorano l'esterno di una cellula sessuale di lievito, o gamete, determinare il tipo di accoppiamento di quella cellula. Metti su copie di una proteina e sei un tipo di accoppiamento; sostituiscili con una proteina diversa e tu sei l'altro. L'agglutinazione (il termine poco sexy per il sesso del lievito) si verifica solo quando le proteine ​​di superficie dei gameti di lievito di tipi di accoppiamento opposti interagiscono.

Ispirato da questa precisione molecolare, un team di biologi sintetici guidati dallo studente laureato dell'Università di Washington David Younger si è reso conto di poter convertire il sistema di accoppiamento del lievito naturale in un nuovo strumento che avrebbe permesso loro di misurare con precisione le interazioni molecolari su una scala molto più ampia.

Sebbene piccolo e difficile da misurare, le interazioni molecolari sono un grosso problema nella progettazione di farmaci. Praticamente ogni farmaco funziona attraverso interazioni specifiche con il suo bersaglio, e le droghe che si legano dove non dovrebbero possono essere letali.

Alcuni esperti incolpano le interazioni fuori bersaglio per lo studio clinico di fase III fallito dello scorso anno sul revusiran di Alnylam Pharmaceuticals, un farmaco a RNA progettato per trattare una rara malattia cardiaca. Diciannove persone sono morte prima che il processo fosse annullato, e le azioni della società hanno avuto un successo di 3 miliardi di dollari.

Capire se un nuovo farmaco lega ciò che dovrebbe è relativamente facile; capire se lega qualcos'altro nelle nostre cellule è difficile. Tecniche di laboratorio consolidate come la visualizzazione della superficie del lievito hanno aiutato gli scienziati a vagliare nuovi farmaci per interazioni potenzialmente pericolose fuori bersaglio prima che arrivino agli studi clinici, ma quella tecnica ti consente di cercare le interazioni fuori bersaglio solo una alla volta. Il team di Younger ha immaginato un modo per testare centinaia di farmaci contro migliaia di potenziali bersagli, tutto ridisegnando il sesso del lievito.

Ridisegnare il sesso del lievito con più tipi di accoppiamento

Iniziare, Younger aveva bisogno di un modo per misurare con precisione l'efficienza di accoppiamento nel lievito coltivato in laboratorio. Una perfetta efficienza significherebbe che ogni cellula che potrebbe fondersi lo farebbe. Più efficiente è l'accoppiamento, il migliore corrispondeva ai due tipi di accoppiamento.

Il team ha collegato marcatori fluorescenti codificati geneticamente:uno blu, un rosso – a ciascuno dei tipi di accoppiamento del lievito naturale. Ciò ha reso semplice misurare l'efficienza di accoppiamento per un'intera popolazione di lieviti:potevano semplicemente contare le cellule rimaste blu o rosse (non accoppiate) rispetto a quelle che diventavano viola (accoppiate). Risulta per lievito tipico coltivato in laboratorio, l'efficienza di accoppiamento è di circa il 60 percento.

Il team ha quindi eliminato le proteine ​​di agglutinazione naturali e le ha sostituite con una coppia di proteine ​​estranee note per interagire debolmente. L'efficienza di accoppiamento è scesa di dieci volte al 5,7 percento. Si sono scambiati un altro paio e l'hanno visto salire al 19 percento. Quando hanno provato una terza coppia di proteine ​​note per interagire con un'affinità molto più elevata, l'efficienza di accoppiamento è salita al 51,6%, vicino a quanto visto nell'agglutinazione naturale.

Semplicemente monitorando l'efficienza di accoppiamento, il team potrebbe dire quanto fortemente interagiscono due molecole proteiche. Quando hanno controllato una coppia di proteine ​​che non dovrebbero interagire affatto, l'efficienza di accoppiamento era un misero 0,2 per cento.

Ora, invece dei soli due tipi di accoppiamento naturale, gli scienziati possono progettare rapidamente migliaia di "sessi" convincendo i singoli lieviti a decorare l'esterno delle loro cellule con nuovi, proteine ​​specificate dall'uomo. Se una coppia di nuovi tipi di accoppiamento è sessualmente compatibile, il che significa che le proteine ​​che decorano le loro superfici cellulari interagiscono, la loro prole aumenterà di numero. Contando ogni progenie geneticamente distinta in un tubo non molto più grande di un ditale, migliaia di potenziali interazioni molecolari possono essere quantificate.

Migliorare la sicurezza dei farmaci

Per dimostrare che il loro nuovo strumento potrebbe aiutare nello sviluppo di farmaci, la squadra ha generato 1, 400 varianti distinte di un farmaco antitumorale emergente noto come XCDP07. Il farmaco dovrebbe interrompere la crescita sfrenata delle cellule tumorali legando specifici bersagli cellulari, ma come ogni droga, significative interazioni fuori bersaglio potrebbero renderlo inutile. Mescolando lievito che mostra diverse versioni del farmaco con altri lieviti che mostrano proteine ​​umane, il team è stato in grado di identificare le versioni di XCDP07 che si legavano solo al target previsto.

Younger sta lavorando per mettere il suo nuovo strumento nelle mani di più scienziati. Ha già regalato i suoi ceppi di lievito ingegnerizzati a ricercatori desiderosi di Stanford, Yale, UCSD e oltre. Le preoccupazioni per il costo e la sicurezza dei farmaci emergenti lo hanno motivato ad avviare un'azienda, finanziata da sovvenzioni scientifiche, non investitori, per trasformare i suoi risultati nella prossima generazione di farmaci. Younger afferma che l'obiettivo è fornire "uno screening preclinico completo dei farmaci, piuttosto che l'attuale pratica di vagliare un sottoinsieme molto piccolo di possibili interazioni fuori bersaglio".

I prossimi farmaci di successo potrebbero avere un debito con il lievito e le loro pratiche di accoppiamento. Chi dice che non si possono insegnare nuovi trucchi a un vecchio fungo?

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.