Come i chimici della Rice University hanno utilizzato un raro percorso genetico per ingegnerizzare metabolicamente le cellule che fungono da fabbriche di farmaci per produrre inibitori della trombina che rompono i coaguli di sangue. Lo studio è iniziato con un'indagine bioinformatica che ha trovato la chiave in un ibis crestato. Credito:Xiao Lab/Rice University
Ringrazia il raro ibis crestato per un indizio che un giorno potrebbe aiutare i nostri corpi a produrre farmaci migliori.
La specie di uccello è l'unica nota a produrre naturalmente un enzima in grado di generare un amminoacido non canonico; cioè uno non tra i 20 necessari per codificare la maggior parte delle proteine.
Il fatto che esista, una scoperta fatta attraverso il confronto computazionale dei database del genoma, dimostra che è possibile che quell'enzima funzioni nel contesto delle cellule viventi, anche se gli scienziati non sanno cosa fa per l'uccello.
Ma hanno una buona idea di cosa potrebbe fare per noi.
Un nuovo studio del chimico della Rice University Han Xiao, del fisico teorico Peter Wolynes e dei loro colleghi mostra che l'amminoacido, la sulfotirosina (sTyr), un mutante dell'amminoacido tirosina standard, è un elemento chiave per programmare le cellule viventi che esprimono proteine terapeutiche. Potrebbe potenzialmente consentire alle cellule di fungere da sensori che monitorano i loro ambienti e rispondono con il trattamento necessario.
Imitare la capacità dell'ibis di sintetizzare lo sTyr e incorporarlo nelle proteine richiede la modifica del DNA di una cellula con un codone mutante che, a sua volta, produce l'enzima transferasi, sulfotransferasi 1C1, che si trova nell'uccello. Questo catalizza la generazione di sTyr, una parte essenziale di riconoscimento in una varietà di interazioni biomolecolari.
Lo studio proof-of-concept ha prodotto per la prima volta cellule di mammifero che sintetizzano sTyr. In un esperimento, il laboratorio Xiao ha prodotto cellule che hanno potenziato la potenza degli inibitori della trombina, anticoagulanti usati per prevenire la coagulazione del sangue.
Lo studio appare in Nature Communications .
"In natura, la maggior parte della nostra specie è composta da 20 elementi costitutivi canonici", ha detto Xiao. "Se vuoi aggiungere un elemento costitutivo aggiuntivo, devi pensare a come realizzarlo. Abbiamo risolto il problema:possiamo chiedere alla cellula di realizzarlo.
Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato cellule progettate per esprimere proteine terapeutiche, in particolare un inibitore della trombina. La chiave è l'inserimento sito-specifico della sulfotirosina (sTyr), un mutante dell'amminoacido tirosina standard che si trova naturalmente solo nell'ibis crestato. Credito:Xiao Lab/Rice University
"Ma poi dobbiamo avere la macchina traslazionale per riconoscerlo. E un codone speciale per codificare questo nuovo elemento costitutivo", ha detto. "Con questo studio, abbiamo soddisfatto tutti e tre questi requisiti."
Xiao ha ricevuto una borsa di studio del National Institutes of Health nel 2019 per vedere se le cellule potessero essere programmate per produrre sostanze con amminoacidi extra. Il nuovo studio dimostra i notevoli progressi del laboratorio.
Finora, gli scienziati avrebbero alimentato nelle cellule aminoacidi non canonici sintetizzati chimicamente. Far fare il lavoro alla cellula è molto più efficiente, ha detto Xiao, ma ciò richiede la scoperta di un nuovo enzima transferasi con tasche di tirosina che potrebbero legare il solfato. Quella combinazione di serratura e chiave potrebbe quindi essere utilizzata come base per una varietà di catalizzatori.
"Ora, attraverso questa nuova strategia per modificare le proteine, possiamo cambiare totalmente la struttura di una proteina e la sua funzione", ha detto. "Per i nostri modelli di inibitori della trombina, abbiamo dimostrato che inserire un elemento costitutivo innaturale nel farmaco può rendere il farmaco molto più potente".
Valeva la pena dare un'occhiata per vedere se la natura li avesse battuti a un utile codone. Per questo, Xiao ha arruolato Wolynes, co-direttore del Center for Theoretical Biological Physics, il cui laboratorio ha confrontato i database del genoma e ha trovato la sulfotransferasi 1C1 nell'ibis.
Il laboratorio Xiao ha utilizzato un codone di arresto mutante ambrato, un gruppo a tre nucleotidi di uracile, adenina e guanina, per codificare la sulfotransferasi desiderata, risultando in una linea cellulare di mammiferi completamente autonoma in grado di biosintetizzare sTyr e incorporarlo con grande precisione nelle proteine.
"Siamo stati fortunati", ha detto Xiao. "L'Ibis è l'unica specie che fa questo, cosa che è stata scoperta da una ricerca per somiglianza di sequenza di informazioni genomiche. Successivamente, abbiamo chiesto se possono capire perché questo enzima riconosce la tirosina, ma la nostra sulfotransferasi umana non può".
Il team di Wolynes ha impiegato AlphaFold2, un programma di intelligenza artificiale sviluppato da Alphabet/Google DeepMind che prevede la struttura delle proteine.
I ricercatori prevedono di utilizzare la combinazione di bioinformatica e screening computazionalmente migliorato per produrre una libreria di aminoacidi non canonici biosintetizzati. + Esplora ulteriormente
