Muchas proteínas son útiles como medicamentos para trastornos como la diabetes, cáncer, y artritis. La síntesis de versiones artificiales de estas proteínas es un proceso que requiere mucho tiempo y requiere la ingeniería genética de microbios u otras células para producir la proteína deseada.

Los químicos del MIT han ideado un protocolo para reducir drásticamente la cantidad de tiempo necesario para generar proteínas sintéticas. Su máquina de síntesis de flujo automatizada de mesa puede encadenar 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 fármacos. y permitir que los científicos diseñen proteínas artificiales incorporando aminoácidos que no existen en las células.

"Podría diseñar nuevas variantes que tengan una función biológica superior, habilitado mediante el uso de aminoácidos no naturales o modificaciones especializadas que no son posibles cuando se utiliza el aparato de la naturaleza para producir proteínas, "dice Brad Pentelute, profesor asociado de química en el MIT y autor principal del estudio.

En un documento que aparece hoy en Ciencias , los investigadores demostraron que podían producir químicamente varias cadenas de proteínas de hasta 164 aminoácidos de longitud, incluyendo enzimas y 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.

Los autores principales del artículo son la ex postdoctoral del MIT Nina Hartrampf, que ahora es profesor asistente en la Universidad de Zurich, Azin Saebi, estudiante de posgrado del MIT, y el ex asociado técnico del MIT, Mackenzie Poskus.

Rápida producción

La mayoría de las proteínas que se encuentran en el cuerpo humano tienen una longitud de hasta 400 aminoácidos. La síntesis de grandes cantidades de estas proteínas requiere la entrega de genes para las proteínas deseadas en células que actúan como fábricas vivas. Este proceso se utiliza para programar células bacterianas o de levadura para que produzcan insulina y otros fármacos como las hormonas del crecimiento.

"Este es un proceso que requiere mucho tiempo, "dice Thomas Nielsen, jefe de investigación química en Novo Nordisk, quien también es autor del estudio. "Primero necesitas el gen disponible, y necesitas saber algo sobre la biología celular del organismo para poder diseñar la expresión de tu proteína ".

Un enfoque alternativo para la producción de proteínas, propuesto por primera vez en la década de 1960 por Bruce Merrifield, quien más tarde fue galardonado con el Premio Nobel de Química por su trabajo en la síntesis de péptidos en fase sólida, consiste en unir químicamente los aminoácidos de forma escalonada. Hay 20 aminoácidos que las células vivas utilizan para construir proteínas, y utilizando las técnicas pioneras de Merrifield, se tarda aproximadamente una hora en realizar las reacciones químicas necesarias para añadir un aminoácido a una cadena de péptidos.

En años recientes, 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 mediante bombas mecánicas y válvulas, 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 tarda en promedio 2,5 minutos, y los péptidos de hasta 25 aminoácidos de longitud se pueden ensamblar en menos de una hora.

Tras el desarrollo de esta tecnología, Novo Nordisk, que produce varios fármacos proteicos, se interesó en trabajar con el laboratorio de Pentelute para sintetizar péptidos y proteínas más largos. Para lograr eso, los investigadores necesitaban mejorar la eficiencia de las reacciones que forman enlaces peptídicos entre los aminoácidos de la cadena. Para cada reacción, su tasa de eficiencia anterior estaba entre el 95 y el 98 por ciento, pero para proteínas más largas, necesitaban que estuviera por encima del 99 por ciento.

"La razón era que si nos volvíamos realmente buenos en la producción de péptidos, podríamos expandir la tecnología para producir proteínas, "Dice Pentelute." La idea es tener una máquina a la que un usuario pueda acercarse y poner una secuencia de proteínas, y uniría estos aminoácidos de una manera tan eficiente que al final del día, puede obtener la proteína que desee. Ha sido un gran desafío porque si la química no se acerca al 100 por ciento en cada paso, no obtendrá 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, ensamblaron un protocolo universal que logró una eficiencia promedio superior al 99 por ciento para cada reacción, lo que marca una diferencia significativa cuando tantos aminoácidos se unen para formar proteínas grandes, dicen los investigadores.

"Si quieres 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 debe purificarse y luego doblarse en la forma correcta, lo que agrega algunas horas más al proceso de síntesis general. Todas las proteínas sintetizadas purificadas se obtuvieron en cantidades de miligramos, lo que representa entre el 1 y el 5 por ciento del rendimiento total.

Química medicinal

Los investigadores también probaron las funciones biológicas de cinco de sus proteínas sintéticas y encontraron que eran comparables a las de las variantes expresadas biológicamente.

La capacidad de generar rápidamente cualquier secuencia de proteínas deseada debería permitir un desarrollo y prueba de fármacos más rápidos. dicen los investigadores. La nueva tecnología también permite incorporar a las proteínas aminoácidos distintos de los 20 codificados por el ADN de las células vivas. ampliando enormemente la diversidad estructural y funcional de posibles fármacos proteicos que podrían crearse.

"Esto está allanando el camino para un nuevo campo de la química medicinal proteica, ", Dice 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 longitud. También están trabajando en la automatización de todo el proceso de fabricación, para que una vez sintetizada la proteína, el escote, purificación, y los escalones plegables también se producen sin necesidad de intervención humana.