Un team di ricerca sulla biologia sintetica guidato dalla Northwestern ha unito le tecnologie per sviluppare una nuova tecnica biotecnologica che promette di accelerare la ricerca sulle terapie proteiche che un giorno potrebbero diventare la prossima difesa contro i supergermi resistenti agli antibiotici o il prossimo nuovo farmaco.
Cominciò quando Milan Mrksich, il professore di ingegneria biomedica Henry Wade Rogers, chimica, e biologia cellulare e molecolare, e il collega Michael Jewett, il Charles Deering McCormick Professor of Teaching Excellence e professore associato di ingegneria chimica e biologica, deciso di confrontare le note e unire le forze.
Il paio, che guidano il Centro di biologia sintetica della Northwestern, dove Mrksich è il regista e Jewett è il co-direttore, si sono chiesti cosa potrebbero ottenere se combinassero la tecnologia di spettrometria di massa del laboratorio Mrksich con l'esperienza del laboratorio Jewett nella glicosilazione e nella produzione rapida di proteine.
glicosilazione, che è l'attaccamento degli zuccheri alle proteine, svolge un ruolo fondamentale nel modo in cui le proteine si formano e funzionano nelle cellule e nel modo in cui le cellule interagiscono con altre cellule. È anche importante nello studio delle malattie e delle biotecnologie.
Le loro idee iniziarono a cristallizzarsi quando si unirono all'esperienza di ingegneria della glicosilazione dello stretto collaboratore Matt DeLisa, il William L. Lewis Professor of Engineering presso la Robert Fredrick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering presso la Cornell University.
Insieme hanno sviluppato una nuova piattaforma per caratterizzare e ottimizzare le sequenze per la produzione di glicoproteine utilizzando la sintesi proteica priva di cellule e la spettrometria di massa.
Il progresso risultante è descritto in "Progettazione di siti di glicosilazione mediante sintesi rapida e analisi delle glicosiltransferasi, " pubblicato il 7 maggio dalla rivista Natura chimica biologia . Mrksich e Jewett sono gli autori corrispondenti. I due co-autori principali sono Weston Kightlinger, uno studente laureato nel laboratorio di Jewett, e Liang Lin, uno studente di dottorato nel laboratorio di Mrksich.
La nuova tecnica promette di accelerare notevolmente il tempo necessario per testare i composti per potenziali nuovi farmaci. Fino a qualche decennio fa, i farmaci erano basati su prodotti naturali che erano noiosamente isolati e caratterizzati da piante e altre fonti naturali.
Ma una volta che i chimici impararono a creare librerie di un gran numero di molecole - che oggi sono milioni - e una volta che l'ingegneria portò avanti l'automazione di laboratorio come strumento, scienziati e ingegneri sono stati in grado di testare rapidamente milioni di composti in poche settimane per identificare buoni punti di partenza per lo sviluppo di farmaci.
Ancora, Mrksich ha spiegato, in biologia sintetica, il tempo del ciclo per testare ogni interazione enzima-substrato può richiedere settimane o mesi.
"Abbiamo accelerato radicalmente il processo, " ha detto Mrksich. "Dove i ricercatori oggi possono valutare un paio di centinaia di potenziali tag di glicosilazione in un dato periodo, abbiamo riunito due tecnologie ad alto rendimento che ci consentono di valutarne diverse migliaia nello stesso lasso di tempo." Questi tag sono importanti perché la glicosilazione è presente nel 70% delle terapie proteiche già approvate o in valutazione preclinica.
Il processo funziona combinando tre tecniche dei laboratori Northwestern:
In combinazione con le conoscenze di glicoingegneria del laboratorio di DeLisa, la tecnica combinata analizza la glicosilazione in modo rapido ed efficace.
"Abbiamo sviluppato array di peptidi in cui abbiamo un piatto delle dimensioni della tua mano che ha circa 1, 500 regioni circolari su di esso, " ha detto Mrksich. "Ognuna di quelle regioni ha attaccato ad essa un diverso tag peptidico, e possiamo applicare la soluzione enzimatica in modo uniforme su tutta la matrice e ciascuno dei tag peptidici può quindi essere glicosilato".
Dopo aver sciacquato il piatto, l'intero array può essere analizzato mediante spettrometria di massa, che quantifica la quantità di glicosilazione di ciascun peptide.
"In un giorno, possiamo valutare migliaia di tag peptidici distinti per identificare quelli ottimali per la glicosilazione con cui poi andiamo avanti, " ha detto Mrksich.
Il risultato non è solo molto più veloce, ma fornisce anche dati molto più dettagliati. "Il nostro metodo ci permette non solo di scegliere i vincitori, che comunemente cerchiamo negli esperimenti scientifici, ma anche i fallimenti " ha detto Jewett.
Il team ha soprannominato il processo GlycoSCORES, o caratterizzazione e ottimizzazione della sequenza di glicosilazione mediante rapida espressione e screening.
DeLisa ha affermato di essere entusiasta di utilizzare la nuova tecnologia per affrontare una serie di domande aperte su come funzionano i diversi enzimi di glicosilazione.
"Questa tecnica ci consente di porre domande molto più precise e scientifiche in questo settore di quanto sarebbe stato possibile in precedenza, " ha detto. "La nuova conoscenza che ne deriva potrebbe davvero cambiare le regole del gioco in termini di capacità di ingegnerizzare le glicoproteine con tratti desiderabili".
