I biochimici dell'UCLA hanno progettato proteine ​​specializzate che si assemblano per formare minuscole gabbie molecolari centinaia di volte più piccole di una singola cellula. La creazione di queste strutture in miniatura potrebbe essere il primo passo verso lo sviluppo di nuovi metodi di somministrazione dei farmaci o addirittura la progettazione di vaccini artificiali.

"Questa è la prima dimostrazione decisiva di un approccio che può essere utilizzato per combinare insieme molecole proteiche per creare un'intera gamma di materiali su scala nanometrica, "ha detto Todd Yeates, un professore UCLA di chimica e biochimica e membro dell'UCLA-DOE Institute of Genomics and Proteomics e del California NanoSystems Institute presso l'UCLA.

Pubblicato il 1 giugno sulla rivista Scienza , la ricerca potrebbe essere utilizzata per creare gabbie da un numero qualsiasi di proteine ​​diverse, con potenziali applicazioni nei campi della medicina e della biologia molecolare.

Yen-Ting Lai, studente laureato dell'UCLA, autore principale dello studio, ha utilizzato modelli al computer per identificare due proteine ​​che potrebbero essere combinate per formare pezzi di puzzle tridimensionali perfettamente sagomati. Dodici di questi pezzi specializzati si incastrano per creare una gabbia molecolare delle dimensioni di una semplice frazione di un virus.

"Se colleghi semplicemente due proteine ​​casuali insieme, ti aspetti di ottenere una rete irregolare, " disse Yeates, autore senior dello studio. "Per controllare la geometria, l'idea era quella di creare un collegamento rigido che tenesse in posizione le due proteine ​​come se fossero parti di un puzzle giocattolo".

Le proteine ​​appositamente progettate si intrecciano per formare un reticolo cavo che potrebbe fungere da recipiente per la somministrazione di farmaci, Egli ha detto.

"In linea di principio, sarebbe possibile allegare una sequenza di riconoscimento per le cellule cancerose all'esterno della gabbia, con una tossina o qualche altro "proiettile magico" contenuto all'interno, " disse Yeates. "In questo modo, il farmaco potrebbe essere somministrato direttamente a determinati bersagli come le cellule tumorali".

In questa fase, le gabbie proteiche assemblate sono abbastanza porose che un farmaco inserito all'interno potrebbe fuoriuscire durante il processo di consegna, disse Lai. Il suo prossimo progetto riguarderà la costruzione di una nuova gabbia molecolare con un interno che sarà meglio sigillato.

Un altro uso per le strutture proteiche versatili potrebbe essere come vaccini artificiali. Alcuni vaccini tradizionali utilizzano una proteina di superficie inattiva di un virus per indurre il sistema immunitario del corpo a pensare che sia sotto attacco. Questo metodo non è sempre efficace, perché a volte la proteina in questione non assomiglia abbastanza al virus per innescare una forte risposta da parte dei difensori dell'organismo.

Però, decorando la superficie di una gabbia molecolare con copie multiple di proteine ​​che identificano i virus, le minuscole strutture potrebbero imitare meglio un virus, stimolando una risposta immunitaria ancora più forte di un vaccino tradizionale e proteggendo meglio il ricevente umano dalle malattie.

Prima che queste strutture proteiche possano essere utilizzate in applicazioni mediche, gli stessi contenitori molecolari devono essere costruiti con proteine ​​simili a quelle umane, piuttosto che le proteine ​​batteriche attualmente impiegate che il corpo umano potrebbe eliminare immediatamente dalla circolazione, Yeates ha detto.

"La nostra prima sfida sarà ripetere questo tipo di progetti con molecole che hanno meno probabilità di generare una risposta immunitaria dell'ospite, " ha detto. "In genere, vogliamo usare proteine ​​che assomiglino a proteine ​​umane in modo che il corpo non le riconosca come estranee".

L'idea del complesso edilizio, strutture proteiche auto-assemblate è stata l'ambizione di Yeates da quando ha pubblicato un documento che delineava il lavoro preliminare su questo metodo nel 2001. Eppure il concetto è rimasto nell'ombra per 10 anni fino a quando Yen-Ting Lai si è unito al gruppo di ricerca di Yeates. Con tre lauree magistrali — in biologia strutturale, bioinformatica e ingegneria biomedica — Lai aveva la giusta combinazione di competenze per portare a compimento la ricerca, Yeates ha detto.

Questo progetto è finanziato a livello federale dalla National Science Foundation. Altri coautori includono lo scienziato senior dello staff dell'UCLA Duilio Cascio.

Una seconda svolta

Un secondo articolo, co-autore di Yeates, crea gabbie molecolari progettate in modo simile utilizzando più copie della stessa proteina come elementi costitutivi. Gli scienziati controllano la forma della gabbia calcolando la sequenza di amminoacidi necessari per collegare le proteine ​​insieme agli angoli corretti. La ricerca, pubblicato anche oggi su Scienza , risultato di una collaborazione tra il team dell'UCLA e il professor David Baker presso l'Università di Washington.

Questo metodo alternativo rappresenta un approccio più versatile perché richiede un solo tipo di proteina per formare una struttura, Yeates ha detto. Però, ideare diversi tipi di collegamenti tra le proteine ​​identiche rimane una grande sfida. L'autore principale Neil King, uno studioso postdottorato presso l'Università di Washington ed ex studente di Yeates, ha preso le numerose possibilità generate al computer e ha testato sperimentalmente ogni versione fino a trovarne una che producesse il comportamento giusto.