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Sintetizar versiones artificiales de proteínas útiles como medicamentos para trastornos como la diabetes, el cáncer y la artritis es un proceso que requiere mucho tiempo y requiere la ingeniería genética de microbios u otras células para producir la proteína deseada. Ahora, los químicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), han ideado un protocolo para reducir drásticamente la cantidad de tiempo requerida para generar proteínas sintéticas.
Su máquina de síntesis de flujo automatizada de mesa puede unir cientos de aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, en cuestión de horas. Los investigadores creen que su nueva tecnología podría acelerar la fabricación de terapias bajo demanda y el desarrollo de nuevos medicamentos, y permitir a los científicos diseñar proteínas artificiales mediante la incorporación de aminoácidos que no existen en las células.
Podrías diseñar nuevas variantes que tengan una función biológica superior, habilitada mediante el uso de aminoácidos no naturales o modificaciones especializadas que no son posibles cuando usas el aparato de la naturaleza para producir proteínas, dice Brad Pentelute, profesor asociado de química en el MIT y El autor principal del estudio.
En un artículo publicado en la revista Science, los investigadores demostraron que podían producir químicamente varias cadenas de proteínas de hasta 164 aminoácidos de longitud, incluidas las enzimas y los factores de crecimiento. Para un puñado de estas proteínas sintéticas, realizaron un análisis detallado que muestra que su función es comparable a la de sus contrapartes naturales.
La mayoría de las proteínas que se encuentran en el cuerpo humano tienen una longitud de hasta 400 aminoácidos. Sintetizar grandes cantidades de estas proteínas requiere entregar genes para las proteínas deseadas en las células que actúan como fábricas vivas. Este proceso se usa para programar células bacterianas o de levadura para que produzcan insulina y otras drogas como las hormonas de crecimiento.
Este es un proceso que lleva mucho tiempo, dice Thomas Nielsen, jefe de Química de investigación en Novo Nordisk, quien también es autor del estudio-. Primero necesita el gen disponible, y necesita saber algo sobre la biología celular del organismo para poder diseñar la expresión de su proteína’.
Un enfoque alternativo para la producción de proteínas, propuesto por primera vez en la década de 1960 por Bruce Merrifield, quien más tarde recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo en la síntesis de péptidos en fase sólida, es unir químicamente aminoácidos de manera gradual. Hay 20 aminoácidos que usan las células vivas para construir proteínas, y usando las técnicas pioneras de Merrifield, lleva aproximadamente una hora realizar las reacciones químicas necesarias para agregar un aminoácido a una cadena peptídica.
En los últimos años, el laboratorio de Pentelute ha inventado un método más rápido para realizar estas reacciones, basado en una tecnología conocida como química de flujo. En su máquina, los productos químicos se mezclan usando bombas y válvulas mecánicas, y en cada paso de la síntesis general pasan por un reactor calentado que contiene un lecho de resina. En el protocolo optimizado, la formación de cada enlace peptídico lleva un promedio de 2,5 minutos, y los péptidos de hasta 25 aminoácidos de largo pueden ensamblarse en menos de una hora.
Tras el desarrollo de esta tecnología, Novo Nordisk, que fabrica varios fármacos proteicos, se interesó en trabajar con el laboratorio de Pentelute para sintetizar péptidos y proteínas más largos. Para lograrlo, los investigadores necesitaban mejorar la eficiencia de las reacciones que forman enlaces peptídicos entre los aminoácidos en la cadena. Para cada reacción, su índice de eficiencia anterior estaba entre 95 y 98 por ciento, pero para proteínas más largas, necesitaban que fuera superior al 99 por ciento.
La razón era que si nos hiciéramos realmente buenos en la fabricación de péptidos, podríamos ampliar la tecnología para producir proteínas, explica Pentelute. La idea es tener una máquina a la que un usuario pueda acercarse y poner una secuencia de proteínas, y junte estos aminoácidos de una manera tan eficiente que al final del día, pueda obtener la proteína que desea Ha sido muy desafiante porque si la química no es cercana al 100 por ciento en cada paso, no obtendrás nada del material deseado.
Para aumentar su tasa de éxito y encontrar la receta óptima para cada reacción, los investigadores realizaron reacciones de acoplamiento específicas de aminoácidos en muchas condiciones diferentes. En este estudio, reunieron un protocolo universal que logró una eficiencia promedio superior al 99 por ciento para cada reacción, lo que hace una diferencia significativa cuando se unen tantos aminoácidos para formar proteínas grandes, dicen los investigadores.
Si desea producir proteínas, este 1 por ciento adicional realmente marca la diferencia, porque los subproductos se acumulan y necesita una alta tasa de éxito por cada aminoácido incorporado, dice Hartrampf.
Usando este enfoque, los investigadores pudieron sintetizar una proteína que contiene 164 aminoácidos: Sortase A, una proteína bacteriana. También produjeron proinsulina, un precursor de insulina con 86 aminoácidos, y una enzima llamada lisozima, que tiene 129 aminoácidos, así como algunas otras proteínas.
La proteína deseada tiene que purificarse y luego doblarse en la forma correcta, lo que agrega unas pocas horas más al proceso de síntesis general. Todas las proteínas sintetizadas purificadas se obtuvieron en cantidades de miligramos, lo que representa entre 1 y 5 por ciento del rendimiento total.
Los investigadores también probaron las funciones biológicas de cinco de sus proteínas sintéticas y descubrieron que eran comparables a las de las variantes biológicamente expresadas.
El equipo dice que la capacidad de generar rápidamente cualquier secuencia de proteína deseada debería permitir un desarrollo y prueba de drogas más rápidos. La nueva tecnología también permite que los aminoácidos distintos de los 20 codificados por el ADN de las células vivas se incorporen a las proteínas, expandiendo en gran medida la diversidad estructural y funcional de los fármacos proteicos potenciales que podrían crearse.
Esto está allanando el camino para un nuevo campo de la química de las proteínas medicinales, asegura Nielsen. Esta tecnología realmente complementa lo que está disponible para la industria farmacéutica, proporcionando nuevas oportunidades para el descubrimiento rápido de productos biofarmacéuticos basados en péptidos y proteínas.
Los investigadores ahora están trabajando para mejorar aún más la tecnología para que pueda ensamblar cadenas de proteínas de hasta 300 aminoácidos de largo. También están trabajando en la automatización de todo el proceso de fabricación, de modo que una vez que se sintetiza la proteína, los pasos de escisión, purificación y plegado también se producen sin necesidad de intervención humana.
mayo 30/2020 (Europa Press) – Tomado de la Selección Temática sobre Medicina de Prensa Latina. Copyright 2019. Agencia Informativa Latinoamericana Prensa Latina S.A.
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