Molte proteine ​​sono utili come farmaci per disturbi come il diabete, cancro, e artrite. La sintesi di versioni artificiali di queste proteine ​​è un processo che richiede tempo e che richiede l'ingegneria genetica di microbi o altre cellule per produrre la proteina desiderata.

I chimici del MIT hanno ideato un protocollo per ridurre drasticamente la quantità di tempo necessaria per generare proteine ​​sintetiche. La loro macchina per la sintesi del flusso automatizzata da tavolo può mettere insieme centinaia di amminoacidi, gli elementi costitutivi delle proteine, entro poche ore. I ricercatori ritengono che la loro nuova tecnologia potrebbe accelerare la produzione di terapie su richiesta e lo sviluppo di nuovi farmaci, e consentire agli scienziati di progettare proteine ​​artificiali incorporando amminoacidi che non esistono nelle cellule.

"Potresti progettare nuove varianti che hanno una funzione biologica superiore, abilitato utilizzando amminoacidi non naturali o modifiche specializzate che non sono possibili quando si utilizza l'apparato della natura per produrre proteine, "dice Brad Pentelute, professore associato di chimica al MIT e autore senior dello studio.

In un articolo apparso oggi su Scienza , i ricercatori hanno dimostrato di poter produrre chimicamente diverse catene proteiche lunghe fino a 164 aminoacidi, compresi enzimi e fattori di crescita. Per una manciata di queste proteine ​​sintetiche, hanno eseguito un'analisi dettagliata che mostra che la loro funzione è paragonabile a quella delle loro controparti naturali.

Gli autori principali dell'articolo sono l'ex postdoc del MIT Nina Hartrampf, che ora è professore assistente all'Università di Zurigo, Lo studente laureato del MIT Azin Saebi, e l'ex socio tecnico del MIT Mackenzie Poskus.

Produzione rapida

La maggior parte delle proteine ​​presenti nel corpo umano sono lunghe fino a 400 aminoacidi. La sintesi di grandi quantità di queste proteine ​​richiede la consegna dei geni per le proteine ​​desiderate nelle cellule che agiscono come fabbriche viventi. Questo processo viene utilizzato per programmare le cellule batteriche o di lievito per produrre insulina e altri farmaci come gli ormoni della crescita.

"Questo è un processo che richiede tempo, "dice Thomas Nielsen, capo della chimica di ricerca presso Novo Nordisk, che è anche autore dello studio. "Prima hai bisogno del gene disponibile, e devi sapere qualcosa sulla biologia cellulare dell'organismo in modo da poter progettare l'espressione della tua proteina".

Un approccio alternativo per la produzione di proteine, proposto per la prima volta negli anni '60 da Bruce Merrifield, che in seguito fu insignito del Premio Nobel per la chimica per il suo lavoro sulla sintesi dei peptidi in fase solida, consiste nel mettere insieme chimicamente gli amminoacidi in modo graduale. Ci sono 20 amminoacidi che le cellule viventi usano per costruire le proteine, e utilizzando le tecniche sperimentate da Merrifield, ci vuole circa un'ora per eseguire le reazioni chimiche necessarie per aggiungere un amminoacido a una catena peptidica.

Negli ultimi anni, Il laboratorio di Pentelute ha inventato un metodo più rapido per eseguire queste reazioni, basato su una tecnologia nota come chimica del flusso. Nella loro macchina, i prodotti chimici vengono miscelati mediante pompe e valvole meccaniche, e in ogni fase della sintesi complessiva passano attraverso un reattore riscaldato contenente un letto di resina. Nel protocollo ottimizzato, la formazione di ciascun legame peptidico richiede in media 2,5 minuti, e peptidi lunghi fino a 25 amminoacidi possono essere assemblati in meno di un'ora.

In seguito allo sviluppo di questa tecnologia, Novo Nordisk, che produce diversi farmaci proteici, si interessò a lavorare con il laboratorio di Pentelute per sintetizzare peptidi e proteine ​​più lunghi. Per ottenere ciò, i ricercatori avevano bisogno di migliorare l'efficienza delle reazioni che formano i legami peptidici tra gli amminoacidi nella catena. Per ogni reazione, il loro precedente tasso di efficienza era compreso tra il 95 e il 98 percento, ma per le proteine ​​più lunghe, avevano bisogno che fosse superiore al 99 percento.

"La logica era che se diventassimo davvero bravi a produrre peptidi, potremmo espandere la tecnologia per produrre proteine, " Pentelute dice. "L'idea è di avere una macchina che un utente possa avvicinarsi e inserire una sequenza proteica, e metterebbe insieme questi amminoacidi in un modo così efficiente che alla fine della giornata, puoi ottenere le proteine ​​che desideri. È stato molto impegnativo perché se la chimica non è vicina al 100% per ogni singolo passaggio, non otterrai nulla del materiale desiderato."

Per aumentare la loro percentuale di successo e trovare la ricetta ottimale per ogni reazione, i ricercatori hanno eseguito reazioni di accoppiamento specifiche per amminoacidi in molte condizioni diverse. In questo studio, hanno assemblato un protocollo universale che ha raggiunto un'efficienza media superiore al 99 percento per ogni reazione, che fa una differenza significativa quando così tanti amminoacidi vengono collegati per formare grandi proteine, dicono i ricercatori.

"Se vuoi produrre proteine, questo 1% in più fa davvero la differenza, perché i sottoprodotti si accumulano e hai bisogno di un alto tasso di successo per ogni singolo amminoacido incorporato, "dice Hartramf.

Utilizzando questo approccio, i ricercatori sono stati in grado di sintetizzare una proteina che contiene 164 aminoacidi:Sortasi A, una proteina batterica. Hanno anche prodotto proinsulina, un precursore dell'insulina con 86 aminoacidi, e un enzima chiamato lisozima, che ha 129 amminoacidi, così come alcune altre proteine. La proteina desiderata deve essere purificata e poi piegata nella forma corretta, che aggiunge qualche ora in più al processo di sintesi complessivo. Tutte le proteine ​​sintetizzate purificate sono state ottenute in quantità di milligrammi, che costituiscono tra l'1 e il 5% della resa complessiva.

Chimica medicinale

I ricercatori hanno anche testato le funzioni biologiche di cinque delle loro proteine ​​sintetiche e hanno scoperto che erano paragonabili a quelle delle varianti espresse biologicamente.

La capacità di generare rapidamente qualsiasi sequenza proteica desiderata dovrebbe consentire uno sviluppo e test di farmaci più rapidi, dicono i ricercatori. La nuova tecnologia consente inoltre di incorporare nelle proteine ​​amminoacidi diversi dai 20 codificati dal DNA delle cellule viventi, ampliando notevolmente la diversità strutturale e funzionale dei potenziali farmaci proteici che potrebbero essere creati.

"Questo sta aprendo la strada a un nuovo campo della chimica farmaceutica delle proteine, " Dice Nielsen. "Questa tecnologia integra davvero ciò che è disponibile per l'industria farmaceutica, fornendo nuove opportunità per la rapida scoperta di biofarmaci a base di peptidi e proteine".

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare ulteriormente la tecnologia in modo che possa assemblare catene proteiche lunghe fino a 300 amminoacidi. Stanno anche lavorando per automatizzare l'intero processo di produzione, in modo che una volta sintetizzata la proteina, la scollatura, purificazione, e le fasi di piegatura avvengono anche senza alcun intervento umano richiesto.