Esquema de la tecnología CFGpS de un solo recipiente. E. coli modificada por glicoingeniería que se modifica con (i) mutaciones genómicas que benefician las reacciones de glicosilación y (ii) ADN plasmídico para producir componentes esenciales de glicosilación (es decir, OST, LLO) sirven como cepa fuente para producir extractos crudos de S30. Los componentes de glicosilación candidatos pueden derivarse de todos los reinos de la vida e incluyen OST de una sola subunidad como C. jejuni PglB y LLO que llevan N-glicanos de C. jejuni que se ensamblan en Und-PP por las enzimas de la vía Pgl. Después de la preparación del extracto por lisis de la cepa fuente, La biosíntesis de N-glicoproteínas en un solo recipiente se inicia cebando el extracto con ADN que codifica la proteína aceptora de interés. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza (2018). DOI:10.1038 / s41467-018-05110-x
Ingeniería de biología celular, menos la celda real, es un área de creciente interés en biotecnología y biología sintética. Se conoce como síntesis de proteínas sin células. o CFPS, y tiene potencial para proporcionar formas sostenibles de fabricar productos químicos, medicamentos y biomateriales.
Desafortunadamente, una brecha de larga data en los sistemas libres de células es la capacidad de fabricar proteínas glicosiladas, proteínas con un enlace de carbohidratos. La glicosilación es crucial para una amplia gama de procesos biológicos importantes, y la capacidad de comprender y controlar este mecanismo es vital para el tratamiento y la prevención de enfermedades.
Matthew DeLisa, el Profesor de Ingeniería William L. Lewis en la Escuela Smith de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Cornell, y Michael Jewett, profesor asociado de ingeniería química y biológica en la Universidad Northwestern, se han asociado en un enfoque novedoso que cierra esta brecha. Su sistema, el primero de su tipo, capitaliza los avances recientes en CFPS al tiempo que agrega el componente crucial de glicosilación de una manera simplificada, reacción de "una olla". La proteína elegida podría liofilizarse y reactivarse para la síntesis en el punto de uso simplemente agregando agua.
DeLisa y Jewett son coautores principales de "Biosíntesis de glicoproteínas en un solo recipiente utilizando un sistema de traducción y transcripción sin células enriquecido con maquinaria de glicosilación, "publicado el 12 de julio en Comunicaciones de la naturaleza .
Thapakorn Jaroentomeechai, Doctor. estudiante del Grupo de Investigación DeLisa, y Jessica Stark '12, Doctor. estudiante en el grupo Jewett, son co-primeros autores.
"Si realmente quieres tener un útil, tecnología de proteínas terapéuticas o vacunas portátiles y desplegables que no contienen células, tienes que averiguar el apego a los carbohidratos, "Dijo DeLisa." Eso es, en esencia, lo que hemos hecho de una manera muy poderosa ".
Este trabajo podría afectar el desarrollo de estrategias de fabricación descentralizadas. El acceso rápido a medicamentos a base de proteínas en entornos remotos podría cambiar vidas; Los nuevos paradigmas de biofabricación adecuados para su uso en entornos de bajos recursos podrían promover un mejor acceso a medicamentos costosos a través de producción de lotes pequeños.
DeLisa ha investigado mucho sobre los mecanismos moleculares que subyacen a la biogénesis de proteínas en el complejo entorno de una célula viva. tal como Escherichia coli ( E. coli ). Si bien su laboratorio ha logrado algunos avances notables, las limitaciones de esta área, él dijo, son las paredes celulares mismas.
El laboratorio de Jewett en Northwestern ha invertido gran parte de sus esfuerzos de investigación en biología sintética libre de células. que aprovecha la biomáquina más elegante de la naturaleza fuera de los confines de la célula, por lo que una colaboración fue una extensión natural del trabajo de ambos laboratorios.
"En ingeniería de células bacterianas, estás constantemente en un tira y afloja, ", Dijo Jewett." Estás introduciendo un mecanismo o capacidad que te interesa como científico, pero lo que la célula está tratando de hacer por sí misma es crecer y sobrevivir ".
Por su nuevo método, el equipo preparó extractos de células de una cepa de laboratorio optimizada de E. coli, CLM24, que se enriquecieron selectivamente con componentes clave de glicosilación. Los extractos resultantes permitieron un esquema de reacción simplificado, que el equipo ha denominado síntesis de glicoproteínas sin células (CFGpS).
"Un avance importante de este trabajo es que nuestros extractos libres de células contienen toda la maquinaria molecular para la síntesis de proteínas y la glicosilación de proteínas, "Dijo Stark." Lo que eso significa es que solo necesita agregar instrucciones de ADN para su proteína de interés para producir una glicoproteína en CFGpS. Esta es una simplificación drástica de los métodos basados en células y nos permite producir moléculas de glicoproteínas sofisticadas en menos de un día ".
Y el método CFGpS es altamente modular, permitiendo el uso de extractos distintos y diversos para mezclar para la producción de una variedad de glicoproteínas.
"Porque elegimos E. coli, que carece de su propia maquinaria de glicosilación, para construir nuestra plataforma CFGpS, nos dio una pizarra en blanco para la ingeniería de abajo hacia arriba de cualquier sistema de glicosilación deseado, ", Dijo Jaroentomeechai." Esto nos da la capacidad única de controlar las estructuras de carbohidratos y la pureza de las glicoproteínas a niveles que actualmente no se pueden lograr en otros sistemas de expresión basados en células ".
Incluso en países desarrollados como EE. UU., el movimiento hacia la medicina personalizada hace que este tipo de protocolo de producción de medicamentos a pedido sea atractivo. "Podrías usar un tubo de ensayo en lugar de un 50, Biorreactor de 000 litros para fabricar su producto, que abre la puerta a un paradigma de biofabricación personalizado donde cada paciente puede recibir un medicamento proteico único adaptado a su fisiología, " él dijo.
