Исследователи из Института исследований мозга Макговерна в Массачусетском технологическом институте и Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда использовали естественную бактериальную систему для разработки нового подхода к доставке белка, который работает в клетках человека и животных. Технология, описанная сегодня в Природа, можно запрограммировать на доставку различных белков, в том числе для редактирования генов, в разные типы клеток. Система потенциально может быть безопасным и эффективным способом доставки генной терапии и лечения рака.
Под руководством адъюнкт-профессора Массачусетского технологического института Фэна Чжана, исследователя Института Макговерна и основного члена Института Броуда, команда воспользовалась преимуществами крошечной инъекционной структуры, похожей на шприц, созданной бактерией, которая естественным образом связывается с клетками насекомых и вводит в них белковую нагрузку. Исследователи использовали инструмент искусственного интеллекта AlphaFold для разработки этих структур шприцев для доставки ряда полезных белков как в клетки человека, так и в клетки живых мышей.
«Это действительно прекрасный пример того, как белковая инженерия может изменить биологическую активность природной системы», — говорит Джозеф Крейц, первый автор исследования, аспирант биологической инженерии Массачусетского технологического института и сотрудник лаборатории Чжана. «Я думаю, что это доказывает, что белковая инженерия может быть полезным инструментом в биоинженерии и разработке новых терапевтических систем».
«Доставка терапевтических молекул является основным узким местом для медицины, и нам потребуется обширный набор вариантов, чтобы доставить эти мощные новые методы лечения в нужные клетки организма», — добавляет Чжан. «Узнав о том, как природа переносит белки, мы смогли разработать новую платформу, которая может помочь восполнить этот пробел».
Чжан является старшим автором исследования, а также профессором нейробиологии Джеймса и Патрисии Пойтрас в Массачусетском технологическом институте и исследователем в Медицинском институте Говарда Хьюза.
Инъекция через сокращение
Симбиотические бактерии используют шприцы длиной примерно 100 нанометров для введения белков в клетки-хозяева, чтобы помочь скорректировать биологию их окружения и повысить их выживаемость. Эти машины, называемые внеклеточными сократительными инъекционными системами (eCIS), состоят из жесткой трубки внутри оболочки, которая сжимается, пропуская шип на конце трубки через клеточную мембрану. Это заставляет белковый груз внутри трубки проникать в клетку.
На внешней стороне одного конца eCIS находятся хвостовые волокна, которые распознают специфические рецепторы на поверхности клетки и фиксируются. Предыдущие исследования показали, что eCIS могут естественным образом нацеливаться на клетки насекомых и мышей, но Крайц полагал, что их можно модифицировать для доставки белков в клетки человека путем перестройки хвостовых волокон для связывания с различными рецепторами.
Используя AlphaFold, который предсказывает структуру белка по его аминокислотной последовательности, исследователи переконструировали хвостовые волокна eCIS, продуцируемого Фоторабдус бактерии для связывания с клетками человека. Переконструировав другую часть комплекса, ученые обманом заставили шприц доставлять белок по своему выбору, в некоторых случаях с удивительно высокой эффективностью.
Команда создала eCIS, нацеленные на раковые клетки, экспрессирующие рецептор EGF, и показали, что они убивают почти 100 процентов клеток, но не влияют на клетки без рецептора. Хотя эффективность частично зависит от рецептора, на который нацелена система, Крайц говорит, что результаты демонстрируют перспективность системы с продуманной инженерией.
Исследователи также использовали eCIS для доставки белков в мозг живых мышей, где он не вызывал заметного иммунного ответа, предполагая, что когда-нибудь eCIS можно будет использовать для безопасной доставки генной терапии людям.
Упаковка белков
Крайц говорит, что система eCIS универсальна, и команда уже использовала ее для доставки ряда грузов, включая белки-редакторы оснований (которые могут вносить однобуквенные изменения в ДНК), белки, токсичные для раковых клеток, и Cas9, большой Фермент, разрезающий ДНК, используется во многих системах редактирования генов.
В будущем, по словам Крайца, исследователи могли бы разработать другие компоненты системы eCIS для настройки других свойств или доставки других грузов, таких как ДНК или РНК. Он также хочет лучше понять функцию этих систем в природе.
«Мы и другие показали, что этот тип системы невероятно разнообразен в биосфере, но они не очень хорошо охарактеризованы», — сказал Крайц. «И мы считаем, что этот тип системы играет действительно важную роль в биологии, которую еще предстоит изучить».
Эта работа была частично поддержана Национальным институтом здравоохранения, Медицинским институтом Говарда Хьюза, Центром исследования психических расстройств Пойтраса в Массачусетском технологическом институте, Хоком Э. Таном и Центром исследований аутизма К. Лизы Ян в Массачусетском технологическом институте, К. Лизой Ян и Центр молекулярной терапии Хок Э. Тан в Массачусетском технологическом институте, Центр мозга и тела К. Лизы Ян в Массачусетском технологическом институте, Броудовский институт доноров программируемой терапии, Фонд Першинг-сквер, Уильям Акман, Нери Оксман, Дж. и П. Пойтрас, Кеннет С. Гриффин , благотворительный фонд BT, семейный фонд Эснесс, семья Филлипс, Д. Ченг и Р. Меткалф.
