Ilustración de un nanotubo de carbono de pared simple envuelto en ADN. Crédito:Benjamin Lambert, EPFL
El Premio Nobel de Química 2018 fue para tres científicos que desarrollaron el método que cambió para siempre la ingeniería de proteínas:la evolución dirigida. Imitando la evolución natural, la evolución dirigida guía la síntesis de proteínas con funciones nuevas o mejoradas.
Primero, la proteína original se muta para crear una colección de variantes de proteínas mutantes. Se seleccionan las variantes de proteínas que muestran funciones mejoradas o más deseables. Estas proteínas seleccionadas se mutan una vez más para crear otra colección de variantes de proteínas para otra ronda de selección. Este ciclo se repite hasta un final, La proteína mutada evoluciona con un rendimiento optimizado en comparación con la proteína original.
Ahora, científicos del laboratorio de Ardemis Boghossian en EPFL, han podido utilizar la evolución dirigida para construir no proteínas, pero nanopartículas sintéticas. Estas nanopartículas se utilizan como biosensores ópticos:pequeños dispositivos que utilizan luz para detectar moléculas biológicas en el aire. agua, o sangre. Los biosensores ópticos se utilizan ampliamente en la investigación biológica, desarrollo de fármacos, y diagnósticos médicos, como la monitorización en tiempo real de insulina y glucosa en diabéticos.
"La belleza de la evolución dirigida es que podemos diseñar una proteína sin siquiera saber cómo se relaciona su estructura con su función, ", dice Boghossian." Y ni siquiera tenemos esta información para la vasta, gran mayoría de proteínas ".
Principio general del enfoque de evolución dirigida aplicado a los complejos de nanopartículas ADN-SWCNT. El complejo de partida es un ADN-SWCNT con una señal óptica tenue. Esto se desarrolla a través de la evolución dirigida:(1) mutación aleatoria de la secuencia de ADN; (2) envoltura de los SWCNT con el ADN y cribado de la señal óptica del complejo; (3) selección de los complejos ADN-SWCNT que exhiben una señal óptica mejorada. Después de varios ciclos de evolución, podemos desarrollar complejos ADN-SWCNT que muestran un comportamiento óptico mejorado. Crédito:Benjamin Lambert (EPFL)
Su grupo utilizó la evolución dirigida para modificar las propiedades optoelectrónicas de los nanotubos de carbono de pared simple envueltos en ADN (o, ADN-SWCNT, como se abrevian), que son tubos de átomos de carbono de tamaño nanométrico que se asemejan a láminas enrolladas de grafeno cubiertas por ADN. Cuando detectan su objetivo, los ADN-SWCNT emiten una señal óptica que puede penetrar a través de fluidos biológicos complejos, como sangre u orina.
Usando un enfoque de evolución dirigida, El equipo de Boghossian pudo diseñar nuevos ADN-SWCNT con señales ópticas que aumentan hasta en un 56%, y lo hicieron en solo dos ciclos de evolución.
"La mayoría de los investigadores en este campo solo examinan grandes bibliotecas de diferentes materiales con la esperanza de encontrar una con las propiedades que están buscando, ", dice Boghossian." En nanosensores ópticos, intentamos mejorar propiedades como la selectividad, brillo, y sensibilidad. Aplicando la evolución dirigida, proporcionamos a los investigadores un enfoque guiado para diseñar estos nanosensores ".
El estudio muestra que lo que es esencialmente una técnica de bioingeniería se puede utilizar para ajustar de manera más racional las propiedades optoelectrónicas de ciertos nanomateriales. Boghossian explica:"Campos como la ciencia de los materiales y la física se preocupan principalmente por definir las relaciones entre la estructura y la función de los materiales, haciendo que los materiales que carecen de esta información sean difíciles de diseñar. Pero este es un problema que la naturaleza resolvió hace miles de millones de años y, en décadas recientes, los biólogos también lo han abordado. Creo que nuestro estudio muestra que, como científicos y físicos de materiales, todavía podemos aprender algunas lecciones pragmáticas de los biólogos ".
