Durante dos semanas en 2004, Song Zhiwei fue testigo de la lenta muerte de una colonia de células. Canción, un bioingeniero en el Instituto de Tecnología de Bioprocesamiento A * STAR (BTI), había bañado un plato de células de ovario de hámster chino (CHO) con lectina, una proteína tóxica derivada de plantas. Luego observó cómo los millones de células se reducían a una docena de supervivientes. Se veían promedio pero Song sabía que tenían superpoderes. El secreto estaba escondido en el edulcorante.

Los azúcares son esenciales para la vida. Entre la clase más importante de azúcares se encuentran los que están unidos químicamente a las proteínas. Estas glicoproteínas están involucradas en todo, desde el reconocimiento de invasores del sistema inmunológico hasta la lubricación de membranas y la estimulación de la tiroides. También alimentan una industria farmacéutica en auge:muchos medicamentos caseros contienen glicoproteínas, y las empresas de biotecnología invierten importantes recursos en optimizar el azúcar de estas proteínas para mejorar su bioactividad y potencia terapéutica.

Se sabe que la lectina se une a los azúcares que cuelgan de los extremos de las glicoproteínas. En el experimento de Song, sólo las células CHO mutantes que no produjeron esos azúcares de unión pudieron sobrevivir al tratamiento con lectina. Este enfoque de "ver lo que se pega" es un método establecido para identificar mutantes que posteriormente pueden ser producidos en masa por la industria biotecnológica.

Song pasó los siguientes dos años realizando experimentos de cultivo celular, estudios de biología molecular y pruebas genéticas para demostrar que las células eran en realidad mutantes. Determinar la estructura exacta de las glicoproteínas mutantes requirió la ayuda de su colega Lee May May, quien encabezó el grupo de análisis en BTI. May utilizó herramientas de espectrometría de masas para determinar la estructura bioquímica exacta de las proteínas producidas por las células mutantes de Song. revelando que carecían de azúcares clave. Song había creado las primeras líneas celulares mutantes de azúcar aplicables a la fabricación biotecnológica.

Desde entonces, la colaboración se ha expandido a una asociación de renombre mundial entre bioingenieros y bioanalistas en A * STAR, avanzar en la comprensión del papel de los azúcares en las enfermedades.

Dulce charla

Los azúcares son la forma más pequeña y simple de carbohidratos, hecho de unidades moleculares de carbono simples o conectadas, hidrógeno y oxígeno. Nuestra sangre contiene cientos de tipos de azúcares:algunos flotan libremente, pero muchos más adheridos a proteínas como adornos en un árbol de Navidad. Casi el 70 por ciento de las proteínas de nuestro cuerpo están glicosiladas, lo que significa que no funcionarán sin sus accesorios azucarados. La disposición específica de los azúcares, o glucanos, en una glicoproteína determina cómo una proteína se pliega e interactúa con otras moléculas, altera su solubilidad y, a veces, incluso los mensajes que transmite a las células. "La célula gasta una enorme cantidad de energía para poner azúcares en las proteínas, "dice Pauline Rudd, un veterano en el campo de la glicobiología, que se unió al equipo de análisis de BTI en 2015. "Si no tienes azúcares, no sobrevivirías ".

Los investigadores descubrieron por primera vez el papel fundamental de las glicoproteínas a principios del siglo XX. Un médico austriaco, Karl Landsteiner, notó que la sangre humana mezclada con la sangre de los animales, o incluso otros humanos, forma grumos. Estos grupos pueden obstruir los vasos o agrietarse para liberar proteínas tóxicas en el cuerpo. Sin embargo, Landsteiner notó que algunas mezclas no se coagulaban. Este descubrimiento lo llevó a la clasificación de grupos sanguíneos que todavía se usa en la actualidad:A, B, AB y O, y le valió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1930. En la década de 1950, los investigadores determinaron que los azúcares expuestos en la superficie de los glóbulos rojos determinaban a qué grupo sanguíneo pertenecían.

El análisis de sangre alentó la investigación de glicoproteínas. En la década de 1990, los biólogos se vieron atrapados en la locura de la genética. La cura para todo ellos postularon, estaba escondido en nuestro ADN. "Se decía que los genes eran la causa de todo, "dice Rudd, que vio disminuir la financiación para la glicobiología. Entre 1998 y 2000, Se gastaron $ 3.5 mil millones a nivel mundial en investigación genómica, incluida la iniciativa de secuenciar todo el genoma humano. "Había mucha información, pero no nos brindó una ruta directa para comprender la enfermedad, ", dice Rudd." La gente comenzó a sugerir que tal vez los genes no hacen nada más que codificar proteínas ".

Los científicos centraron su atención en las muchas otras etapas de la actividad biológica hasta que llegaron nuevamente a los azúcares.

"El ADN es la primera capa de información. Esta información se transcribe en ARN, que envía un mensaje que se traduce en una proteína con una función, "dice Song". Carbohidratos, o azúcares, son la última capa de información biológica ".

Conocer la importancia de los azúcares no los hizo más fáciles de estudiar. El ADN y las proteínas son estructuras esencialmente lineales que "se enrollan en formas extravagantes, "dice Rudd. Los azúcares se ramifican en múltiples cadenas." Son como grandes árboles que cuelgan de los lados de las proteínas. "Pasarían varios años antes de que los azúcares pudieran analizarse con la precisión y velocidad de los genes y las proteínas.

Agitar

En 1989, un terremoto golpeó a California. Rudd lo recuerda bien. Ella estaba profundamente involucrada en una colaboración entre el Instituto de Glicobiología de Oxford (dirigido por el Director Raymond Dwek) y un equipo de investigación en Londres, buscando cambios en la forma en que se glicosilan las proteínas en pacientes con enfermedades autoinmunes. Ella estaba analizando 600 muestras de la proteína inmunoglobulina G (IgG), utilizando un gel especial para filtrar los azúcares. La fábrica que producía este gel fue destruida por el terremoto.

Cuando se reconstruyó la fábrica, su gel no era el mismo. "Fue completamente inútil, "recuerda Rudd." Me estaba arrancando el pelo tratando de analizar estas 600 muestras ".

La necesidad engendra invención Rudd miró a su alrededor y notó las columnas de cromatografía líquida (LC) que había estado usando para clasificar proteínas. Metió una jeringa llena con una mezcla de azúcares liberados de sus muestras de glicoproteínas en las columnas. El dispositivo LC filtró los azúcares a una resolución mucho más alta que el proceso de gel. "Nunca volvimos, " ella dice.

Desde entonces, Rudd ha colaborado con socios privados e institucionales para acelerar, Automatizar y mejorar la especificidad de las técnicas para clasificar y caracterizar azúcares de una muestra. Lo que solía llevar un año ahora se puede hacer en un día. El flujo de trabajo bioinformática y bases de datos desarrolladas por el equipo de Rudd en el Instituto Nacional de Investigación y Capacitación en Bioprocesamiento (Dublín, Irlanda) se han incorporado a la plataforma de espectrometría de masas / cromatografía líquida acoplada analítica UNIFI de Waters Corporation, lo que significa que gran parte de la complejidad del glucoanálisis ahora está automatizada. Por eso, El glucoanálisis ha entrado en una nueva era de glucómicos, acercándolo al universo de los macrodatos de la genética, transcriptómica y proteómica.

"Ahora podemos analizar grandes cohortes de muestras para comprender mejor las enfermedades y respaldar el desarrollo y la producción biológicos, "dice Terry Nguyen-Khuong, quien dirige el grupo de análisis en BTI. Desde que se asoció con Rudd, A * STAR ha ampliado su cartera de análisis para hacer zoom en los azúcares e identificar su ubicación exacta, bloques de construcción básicos y estructuras de enlace.

Glucoproteínas farsantes

Las glicoproteínas alimentan una industria biofarmacéutica de medicamentos cuya eficacia puede depender de los azúcares. Por ejemplo, cuando la hormona eritropoyetina está adornada con azúcares de ácido siálico, es diez veces más eficaz para estimular la producción de glóbulos rojos en pacientes anémicos que la hormona sola.

En el negocio de las glicoproteínas, Las células CHO comprenden toda la fuerza laboral. Pueden producir cualquier proteína que demande la industria biotecnológica, y puede recubrir con azúcar las proteínas de la misma manera que lo hacen los humanos.

Antes de que Song creara sus primeros mutantes de células CHO, nadie había podido controlar la glicosilación de proteínas en líneas celulares producibles en masa. El grupo de Pamela Stanley en los Estados Unidos había estado ajustando la glicosilación de las células CHO durante años utilizando líneas celulares que vivían y morían en una placa de Petri plana. alimentado con sangre de vaca rica en proteínas. Song, en cambio, desarrolló mutantes usando células que sabía que podían replicarse indefinidamente mientras giraban en forma esférica 20, Biorreactores de 000 litros utilizados en fábricas biofarmacéuticas, sin aditivos bovinos.

Llamó a la línea celular CHO-glicosilación mutante 1 (GMT-1), y desde entonces, más de veinte sucesores han seguido en orden numérico. Cuando surgieron herramientas que hicieron que la edición de genes fuera tan simple como cortar y pegar palabras en la pantalla de una computadora, los usó para generar más mutantes.

En GMT-3, eliminó un gen necesario para fijar los azúcares fucosa en proteínas. Las glicoproteínas GMT-9 carecen de los azúcares fucosa y galactosa; y GMT-17 carece de fucosa, galactosa y ácido siálico. La ausencia de estos azúcares puede determinar la potencia de las drogas. Las células de Song producen anticuerpos que son hasta cien veces mejores para matar las células cancerosas que sus medicamentos equivalentes en el mercado. como rituximab (de marca Rituxan) para tratar la leucemia. "Las líneas celulares son comparables a las líneas industriales y están listas para su comercialización, "dice Song, que ha estado administrando una subvención de glucómicos de S $ 11 millones llamada GlycoSing desde 2014. Los tratamientos con estos anticuerpos mejorados significarían dosis significativamente reducidas.

En 2008, Andre Choo, investigador de BTI, desarrolló los primeros anticuerpos que podrían matar específicamente las células madre embrionarias, aliviar las preocupaciones sobre las células que forman tumores en pacientes trasplantados. Desde entonces, los anticuerpos han sido autorizados a varias empresas.

Muchas enfermedades tienen un perfil de azúcar distinto, un concepto que Choo ha comenzado a explotar para la terapéutica del cáncer. Detecta anticuerpos que se dirigen específicamente a moléculas de azúcar aberrantes en la superficie de las células cancerosas, trabajando con Rudd y el equipo de Nguyen-Khuong para analizarlos.

Recientemente este año, su equipo generó un anticuerpo que reconoce los azúcares expresados ​​en las células de cáncer de ovario. "En el pasado, generábamos un anticuerpo sin saber realmente a qué se dirigía, ahora estamos enfocados en tratar de obtener estos anticuerpos anti-glicanos ".

En A * STAR, la investigación se ha expandido al dengue, el virus del Zika y las enfermedades cardíacas. "Todas las áreas principales de la medicina:cáncer, enfermedades infecciosas y problemas inflamatorios:están relacionados con las glicoproteínas, "dice Song, cuyos mutantes podrían potencialmente curar estas enfermedades.