Consegnando filamenti di materiale genetico noto come RNA messaggero (mRNA) nelle cellule, i ricercatori possono indurre le cellule a produrre qualsiasi proteina codificata dall'mRNA. Questa tecnica ha un grande potenziale per la somministrazione di vaccini o il trattamento di malattie come il cancro, ma ottenere una consegna efficiente dell'mRNA si è dimostrato difficile.

Ora, un team di ingegneri chimici del MIT, ispirato dal modo in cui le cellule traducono il proprio mRNA in proteine, ha progettato un sistema di consegna sintetico che è quattro volte più efficace rispetto alla fornitura di mRNA da solo.

"Se vogliamo essere in grado di fornire mRNA, quindi abbiamo bisogno di un meccanismo per essere più efficace perché tutto ciò che è stato usato finora ti dà una frazione molto piccola di quella che sarebbe l'efficienza ottimale, "dice Paula Hammond, un professore di ingegneria David H. Koch, il capo del Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT, e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT.

Hammond è l'autore senior dell'articolo, che appare in Angewandte Chemie . Gli autori principali del documento sono il postdoc Jiahe Li e lo studente laureato Yanpu He. Altri coautori nel documento sono Wade Wang, Connie Wu, e Celestine Hong del laboratorio Hammond.

Macchine per proteine

L'RNA messaggero trasporta istruzioni genetiche dal DNA, che non può lasciare il nucleo cellulare, ai ribosomi della cellula, che assemblano proteine ​​in base alla sequenza dell'mRNA. L'RNA messaggero è attraente come potenziale veicolo per curare malattie o fornire vaccini perché dopo che un filamento di mRNA viene tradotto nella proteina desiderata, alla fine si degrada.

"Non cambia il codice genetico, "Dice Hammond. "Non c'è alcuna possibilità che l'incorporazione di un gene possa avvenire, quindi il fattore di sicurezza è molto più alto."

Per questo approccio al lavoro, L'mRNA deve entrare nelle cellule in modo efficiente, e una volta lì, ha bisogno di raggiungere i ribosomi per essere tradotto in proteine. In uno studio precedente, i ricercatori del MIT hanno scoperto che potevano migliorare la velocità di traduzione dell'mRNA attaccando un cappuccio proteico a un'estremità del filamento di mRNA. Questo cappuccio aiuta l'mRNA a formare un complesso necessario per iniziare la traduzione.

Nel nuovo studio, i ricercatori si sono concentrati sull'altra estremità della molecola di mRNA. L'mRNA naturale di solito ha una lunga "coda di poli-A, " costituito da una lunga sequenza di ripetizioni adenosiniche, che stabilizza la molecola e la aiuta a resistere alla scomposizione degli enzimi nella cellula.

Il team del MIT ha deciso di attaccare a questa coda una proteina chiamata proteina legante la poli-A. Questa proteina, che si trova naturalmente nelle cellule, aiuta l'mRNA a legarsi ai ribosomi e ad iniziare il processo di traduzione.

I ricercatori hanno quindi rivestito questo complesso con un tipo di polimero noto come polipeptide, che è una sequenza di amminoacidi modificati legati insieme in una catena. Questo polipeptide funge da impalcatura per tenere a stretto contatto la proteina legante la poli-A e l'mRNA, e aiuta a neutralizzare l'mRNA caricato negativamente. Senza quella neutralizzazione, L'mRNA non sarebbe in grado di passare attraverso le membrane cellulari, che sono anche carichi negativamente.

Una volta che l'mRNA rivestito di polimero entra in una cellula, la proteina legante la poli-A la protegge dalla scomposizione e la aiuta a legarsi ai ribosomi. L'mRNA forma un anello chiuso in modo che un ribosoma possa attraversarlo molte volte, producendo molte copie della proteina bersaglio. In questo modo, l'effetto dell'mRNA, che è una terapia genetica molto costosa, può essere notevolmente potenziato dalla combinazione con polipeptidi e proteine ​​sintetici molto più economici.

"L'approccio convenzionale è solo quello di fornire mRNA nelle cellule, " dice Li. "Ma una volta che l'mRNA entra nelle cellule, potrebbe essere degradato, così formiamo un complesso che è cruciale per l'inizio della traduzione dell'mRNA."

L'approccio del MIT aiuta anche a superare un'altra sfida alla fornitura di mRNA, che è che le molecole sono molto grandi, dice Peixuan Guo, un professore di farmacia e sistemi di somministrazione dei farmaci presso la Ohio State University.

"I risultati del gruppo di Paula Hammond in questo articolo dimostrano che l'mRNA può essere consegnato in modo efficiente attraverso l'uso di proteine ​​leganti la poli-A, "dice Guo, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Questa tecnologia dimostra un grande aumento dei carichi utili consegnati e aprirà una nuova strada alla consegna dell'mRNA".

Espressione proteica più alta

I ricercatori hanno testato questo sistema fornendo mRNA che codifica il gene per la luciferasi, una proteina luminosa, nei polmoni dei topi. Hanno scoperto che con questo tipo di consegna, le cellule hanno prodotto quattro volte più proteine ​​rispetto a quando solo l'mRNA è stato confezionato con lo stesso polipeptide per la consegna.

Uno dei motivi per cui questo sistema è più efficiente, i ricercatori credono, è che elimina la necessità per l'mRNA di trovare proteine ​​leganti la poli-A nell'affollato ambiente del citoplasma dopo che l'mRNA è entrato nella cellula.

"Ci siamo resi conto che le cellule probabilmente producono solo una quantità sufficiente di questa proteina legante la poli-A per tradurre il proprio mRNA, " Dice. "Una volta che fornisci mRNA in eccesso, la cellula non ha abbastanza di questa proteina helper per tradurla. Ci siamo resi conto che dobbiamo dargli più proteine ​​ausiliarie, preassemblarlo con i nostri polipeptidi per imitare la struttura della sintesi proteica, quindi co-consegna questo assemblaggio bio-ispirato nella cellula".

In questo studio, le particelle di mRNA accumulate nei polmoni a causa della carica positiva del polipeptide, che ha permesso alle particelle di attaccarsi ai globuli rossi e di raggiungere i polmoni. Però, i ricercatori ora hanno in programma di esplorare la modifica delle particelle con polimeri che le indirizzeranno in altre posizioni del corpo, compresi i tumori.

Stanno anche lavorando per migliorare ulteriormente la stabilità delle molecole polipeptidiche aggiungendo una coda idrofoba a un'estremità, e attaccando un polimero chiamato PEG. Entrambe queste modifiche dovrebbero aiutare le molecole a circolare più a lungo nel corpo, permettendo loro di raggiungere le destinazioni previste.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.