Al entregar hebras de material genético conocido como ARN mensajero (ARNm) en las células, los investigadores pueden inducir a las células a producir cualquier proteína codificada por el ARNm. Esta técnica tiene un gran potencial para administrar vacunas o tratar enfermedades como el cáncer, pero lograr una entrega eficiente de ARNm ha demostrado ser un desafío.

Ahora, un equipo de ingenieros químicos del MIT, inspirado en la forma en que las células traducen su propio ARNm en proteínas, ha diseñado un sistema de administración sintético que es cuatro veces más eficaz que administrar ARNm por sí solo.

"Si queremos poder entregar ARNm, entonces necesitamos un mecanismo para ser más efectivos porque todo lo que se ha utilizado hasta ahora le da una fracción muy pequeña de lo que sería la eficiencia óptima, "dice Paula Hammond, un profesor de ingeniería David H. Koch, el jefe del Departamento de Ingeniería Química del MIT, y miembro del Instituto Koch de Investigación Integrativa del Cáncer del MIT.

Hammond es el autor principal del artículo, que aparece en Angewandte Chemie . Los autores principales del artículo son el postdoctorado Jiahe Li y el estudiante graduado Yanpu He. Otros coautores del artículo son Wade Wang, Connie Wu, y Celestine Hong del laboratorio Hammond.

Máquinas de proteínas

El ARN mensajero lleva instrucciones genéticas del ADN, que no puede salir del núcleo celular, a los ribosomas de la célula, que ensamblan proteínas basadas en la secuencia de ARNm. El ARN mensajero es atractivo como un vehículo potencial para tratar enfermedades o administrar vacunas porque después de que una cadena de ARNm se traduce en la proteína deseada, eventualmente se degrada.

"No cambia el código genético, "Dice Hammond." No hay posibilidad de que se produzca la incorporación de un gen, por lo que el factor de seguridad es mucho mayor ".

Para que este enfoque funcione, El ARNm debe ingresar a las células de manera eficiente, y una vez allí, necesita llegar a los ribosomas para traducirse en proteína. En un estudio anterior, Los investigadores del MIT descubrieron que podían mejorar la tasa de traducción del ARNm colocando una tapa de proteína en un extremo de la cadena de ARNm. Esta capa ayuda al ARNm a formar un complejo que se necesita para iniciar la traducción.

En el nuevo estudio, los investigadores se centraron en el otro extremo de la molécula de ARNm. El ARNm de origen natural suele tener una larga cola poli-A, "compuesto por una larga secuencia de repeticiones de adenosina, que estabiliza la molécula y la ayuda a resistir la degradación de las enzimas de la célula.

El equipo del MIT decidió unir una proteína llamada proteína de unión poli-A a esta cola. Esta proteína, que se encuentra naturalmente en las células, ayuda al ARNm a unirse a los ribosomas y comenzar el proceso de traducción.

Luego, los investigadores recubrieron este complejo con un tipo de polímero conocido como polipéptido, que es una secuencia de aminoácidos modificados unidos en una cadena. Este polipéptido sirve como un andamio para mantener la proteína de unión poli-A y el ARNm en estrecho contacto, y ayuda a neutralizar el ARNm cargado negativamente. Sin esa neutralización El ARNm no podría atravesar las membranas celulares, que también están cargados negativamente.

Una vez que el ARNm recubierto de polímero ingresa a una célula, la proteína de unión poli-A la protege de la degradación y la ayuda a unirse con los ribosomas. El ARNm forma un circuito cerrado para que un ribosoma pueda recorrerlo muchas veces, produciendo muchas copias de la proteína diana. De este modo, el efecto del ARNm, que es una terapéutica genética muy costosa, puede mejorarse significativamente mediante la combinación con polipéptidos y proteínas sintéticos mucho más baratos.

"El enfoque convencional es simplemente administrar ARNm a las células, ", Dice Li." Pero una vez que el ARNm ingresa a las células, podría degradarse, por lo que formamos un complejo que es crucial para el inicio de la traducción del ARNm ".

El enfoque del MIT también ayuda a superar otro desafío para la entrega de ARNm, que es que las moléculas son muy grandes, dice Peixuan Guo, profesor de farmacéutica y sistemas de administración de fármacos en la Universidad Estatal de Ohio.

"Los hallazgos del grupo de Paula Hammond en este artículo demuestran que el ARNm se puede administrar de manera eficiente mediante el uso de proteínas de unión poli-A, "dice Guo, que no participó en la investigación. "Esta tecnología demuestra un gran aumento en las cargas útiles entregadas y allanará un nuevo camino para la entrega de ARNm".

Mayor expresión de proteínas

Los investigadores probaron este sistema mediante la entrega de ARNm que codifica el gen de la luciferasa, una proteína brillante, en los pulmones de los ratones. Descubrieron que con este tipo de entrega, las células producían cuatro veces más proteína que cuando solo se empaquetaba ARNm con el mismo polipéptido para su administración.

Una de las razones por las que este sistema es más eficiente, los investigadores creen, es que elimina la necesidad de que el ARNm encuentre proteínas de unión a poli-A en el entorno del citoplasma abarrotado después de que el ARNm ingresa a la célula.

"Nos dimos cuenta de que las células probablemente solo producen lo suficiente de esta proteína de unión poli-A para traducir su propio ARNm, "Él dice." Una vez que entregas el exceso de ARNm, la célula no tiene suficiente proteína auxiliar para traducirla. Nos dimos cuenta de que necesitamos darle más proteína auxiliar, preensamblarlo con nuestros polipéptidos para imitar la estructura de la síntesis de proteínas, luego co-entregue este ensamblaje bio-inspirado en la célula ".

En este estudio, las partículas de ARNm acumuladas en los pulmones debido a la carga positiva del polipéptido, lo que permitió que las partículas se adhirieran a los glóbulos rojos y llegaran a los pulmones. Sin embargo, Los investigadores ahora planean explorar la modificación de las partículas con polímeros que las dirigirán a otras ubicaciones del cuerpo. incluidos los tumores.

También están trabajando para mejorar aún más la estabilidad de las moléculas de polipéptido agregando una cola hidrófoba a un extremo, y uniendo un polímero llamado PEG. Ambas modificaciones deberían ayudar a que las moléculas circulen por más tiempo en el cuerpo. permitiéndoles llegar a sus destinos previstos.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.