Sistema de inyección bacteriano entrega proteínas en ratones y células humanas.

Bacterial injection system delivers proteins in mice and human cells.

Con un mayor desarrollo, el sistema programable podría ser utilizado en una variedad de aplicaciones, incluyendo terapias génicas y contra el cáncer.

Investigadores del Instituto McGovern de Investigación Cerebral en el MIT y el Instituto Broad del MIT y Harvard han aprovechado un sistema bacteriano natural para desarrollar un nuevo enfoque de entrega de proteínas que funciona en células humanas y animales. La tecnología, descrita hoy en Nature, puede programarse para entregar una variedad de proteínas, incluidas las de edición génica, a diferentes tipos de células. El sistema podría ser potencialmente una forma segura y eficiente de entregar terapias génicas y terapias contra el cáncer.

Liderado por el profesor asociado del MIT Feng Zhang, quien es investigador del Instituto McGovern y miembro central del Instituto Broad, el equipo aprovechó una pequeña estructura de inyección similar a una jeringa, producida por una bacteria, que se une naturalmente a las células de insectos e inyecta una carga proteica en ellas. Los investigadores utilizaron la herramienta de inteligencia artificial AlphaFold para diseñar estas estructuras de jeringa para entregar una variedad de proteínas útiles tanto a células humanas como a células de ratones vivos.

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“Este es un ejemplo realmente hermoso de cómo la ingeniería de proteínas puede alterar la actividad biológica de un sistema natural”, dice Joseph Kreitz, primer autor del estudio, estudiante de posgrado en ingeniería biológica en el MIT y miembro del laboratorio de Zhang. “Creo que esto justifica la ingeniería de proteínas como una herramienta útil en la bioingeniería y el desarrollo de nuevos sistemas terapéuticos”.

“La entrega de moléculas terapéuticas es un gran cuello de botella para la medicina, y necesitaremos una amplia variedad de opciones para llevar estas nuevas terapias poderosas a las células adecuadas del cuerpo”, agrega Zhang. “Al aprender de cómo la naturaleza transporta proteínas, pudimos desarrollar una nueva plataforma que puede ayudar a abordar esta brecha”.

Zhang es el autor principal del estudio y también es profesor de neurociencia James y Patricia Poitras en el MIT e investigador del Instituto Médico Howard Hughes.

Inyección por contracción

Las bacterias simbióticas utilizan máquinas similares a jeringas de aproximadamente 100 nanómetros de largo para inyectar proteínas en las células huésped para ayudar a ajustar la biología de su entorno y mejorar su supervivencia. Estas máquinas, llamadas sistemas de inyección contráctiles extracelulares (eCIS), consisten en un tubo rígido en el interior de una funda que se contrae, impulsando una punta en el extremo del tubo a través de la membrana celular. Esto fuerza al cargamento proteico dentro del tubo a entrar en la célula.

En el exterior de un extremo del eCIS hay fibras de cola que reconocen receptores específicos en la superficie celular y se enganchan. Investigaciones anteriores han demostrado que los eCIS pueden dirigirse naturalmente a células de insectos y ratones, pero Kreitz pensó que podría ser posible modificarlos para entregar proteínas a células humanas mediante la reingeniería de las fibras de cola para que se unan a diferentes receptores.

Usando AlphaFold, que predice la estructura de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos, los investigadores rediseñaron las fibras de cola de un eCIS producido por bacterias Photorhabdus para que se unan a células humanas. Al reingeniar otra parte del complejo, los científicos engañaron a la jeringa para que entregara una proteína de su elección, en algunos casos con una eficiencia notablemente alta.

El equipo creó eCIS que se dirigieron a células cancerosas que expresaban el receptor EGF y mostraron que mataron a casi el 100% de las células, pero no afectaron a las células sin el receptor. Aunque la eficiencia depende en parte del receptor al que se diseñe el sistema, Kreitz dice que los hallazgos demuestran la promesa del sistema con una ingeniería cuidadosa.

Los investigadores también utilizaron un eCIS para entregar proteínas al cerebro en ratones vivos, donde no provocó una respuesta inmune detectable, lo que sugiere que los eCIS podrían usarse algún día para entregar terapias génicas de manera segura a los humanos.

Empaquetado de proteínas

Kreitz dice que el sistema eCIS es versátil y que el equipo ya lo ha utilizado para entregar una variedad de cargas, incluidas proteínas editoras de bases (que pueden hacer cambios de una sola letra en el ADN), proteínas que son tóxicas para las células cancerosas y Cas9, una gran enzima de corte de ADN utilizada en muchos sistemas de edición génica.

En el futuro, Kreitz dice que los investigadores podrían diseñar otros componentes del sistema eCIS para ajustar otras propiedades, o para entregar otras cargas como ADN o ARN. También quiere comprender mejor la función de estos sistemas en la naturaleza.

“Nosotros y otros hemos demostrado que este tipo de sistema es increíblemente diverso en la biosfera, pero no están muy bien caracterizados”, dijo Kreitz. “Y creemos que este tipo de sistema desempeña un papel realmente importante en la biología que aún no se ha explorado”.

Este trabajo fue respaldado, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto Médico Howard Hughes, el Centro Poitras para la Investigación de Trastornos Psiquiátricos en el MIT, el Centro de Investigación de Autismo K. Lisa Yang y Hock E. Tan en el MIT, el Centro de Terapéutica Molecular K. Lisa Yang y Hock E. Tan en el MIT, el Centro Cerebro-Cuerpo K. Lisa Yang en el MIT, los donantes del Regalo de Terapéutica Programable del Instituto Broad, la Fundación Pershing Square, William Ackman, Neri Oxman, J. y P. Poitras, Kenneth C. Griffin, BT Charitable Foundation, la Familia Asness Foundation, la Familia Phillips, D. Cheng y R. Metcalfe.

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