A las 2 a.m. una noche el pasado abril, Michael Schoof verificó tres veces los números en su pantalla, respira hondo, y envió un correo electrónico que había estado esperando todo el día para enviar.

"Creo que está funcionando", fue la cautelosa redacción de su mensaje.

Schoof, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Peter Walter, Doctor., un científico de renombre especializado en clasificación de proteínas y membranas celulares, era parte de un pequeño equipo en una misión quijotesca:inmovilizar el SARS-CoV-2, el nuevo coronavirus que causa COVID, mediante el uso de una versión sintética de pequeños anticuerpos descubiertos originalmente en llamas y camellos. Estos "nanocuerpos, "como se les conoce, provenía del laboratorio de UC San Francisco de Aashish Manglik, MARYLAND., Doctor., un científico de proteínas prometedor que había pasado los tres años anteriores construyendo una vasta biblioteca de nanocuerpos y desarrollando nuevas formas de explotar sus propiedades inusuales.

Durante el mes anterior, Schoof había pasado la mayor parte de sus horas de vigilia enclaustrado en el complejo de laboratorio vacío en el campus de Mission Bay de UCSF. Fue el apogeo del aumento repentino de COVID en la primavera de 2020, y solo se permitió la entrada a las instalaciones de la Universidad al personal de atención médica esencial y aquellos que trabajaban en ciencias relacionadas con la pandemia. Schoof había arrastrado a su compañero de cuarto, un compañero de estudios de posgrado llamado Reuben Saunders, en trabajar con él en el proyecto. Subsistiendo de albóndigas al vapor y galones de té, habían estado clasificando los 2 mil millones de nanocuerpos en la biblioteca de Manglik con la esperanza de identificar una molécula capaz de adherirse al mortal SARS-CoV-2 e inmovilizarlo. Ahora, finalmente, Schoof estaba convencido de que habían logrado su primer gran avance.

El primer paso en cualquier infección viral es un secuestro celular. Para hacerse con el control de una célula humana, El SARS-CoV-2 engancha los picos en forma de gancho en su propio exterior a proteínas llamadas receptores ACE2 en el exterior de una célula diana. Pero que si, los investigadores se preguntaron, ¿Podrían bloquear al secuestrador dándole a los ganchos de agarre algo más a lo que agarrarse?

Ese día, Schoof había comenzado a realizar pruebas en cientos de colonias de levadura, cada uno diseñado para producir ciertos nanocuerpos de la biblioteca de Manglik. Todos estos nanocuerpos particulares habían demostrado la capacidad de adherirse a los picos del SARS-CoV-2. Ahora era el momento de hacer las preguntas clave:¿Qué tan apretados se habían unido estos nanocuerpos a los picos? ¿Fueron capaces de competir con los receptores ACE2?

Descubrir, Schoof había mezclado sus células de levadura que expresan nanocuerpos con picos fluorescentes de SARS-CoV-2. Cuando miró los resultados de las dos primeras placas, sintió una oleada de emoción, que rápidamente suavizó con el escepticismo científico que le habían enseñado a cultivar. Algunos de los nanocuerpos se adhirieron a los picos del SARS-CoV-2, pero aún podrían ser apartados a codazos por un exceso de receptores ACE2 humanos:clara evidencia de un potencial neutralizador.

"Ese, "recuerda, "es cuando supimos que teníamos algo".

En los días que siguieron al circunspecto correo electrónico nocturno de Schoof, Walter y Manglik aprovecharon sus respectivas redes de contactos científicos, pidiendo refuerzos de los laboratorios de todo el campus y de lugares tan lejanos como París para ayudar en la siguiente etapa de su búsqueda. Pronto, el pequeño equipo se había transformado en un verdadero ejército de investigadores interdisciplinarios y estudiantes de posgrado. En noviembre, publicaron sus resultados en la prestigiosa revista Science. En el papel, casi 60 coautores describieron una audaz, contramedida COVID innovadora, proponiendo que sus nanocuerpos podrían utilizarse de forma económica, Spray nasal fácil de transportar capaz de neutralizar el SARS-CoV-2. Entre ellos, apodaron las moléculas AeroNabs.

Desde entonces, el equipo de UCSF ha estado buscando un socio de la industria dispuesto a financiar el costoso y riguroso proceso de ensayos clínicos, pero actualmente las empresas farmacéuticas se centran en el desarrollo de vacunas para la prevención y anticuerpos más tradicionales para el tratamiento.

Pero el enfoque de nanocuerpos es prometedor. Debido a la estructura simple de los nanocuerpos, AeroNabs podría ser mucho más barato y más rápido de producir en masa, mucho más fácil de transportar, y mucho más fáciles de almacenar que los anticuerpos tradicionales actualmente en uso y en desarrollo.

"Esto es algo que puede tomar después de dar positivo y que podría disminuir su carga viral de inmediato, "Dice Walter." Así que sus posibilidades de desarrollar una enfermedad grave se reducirían con este tratamiento ".

También señala que la vacunación masiva llevará tiempo, y que no todas las personas de la población pueden o serán vacunadas, haciendo que la protección pasiva siga siendo increíblemente valiosa. "Y, " él añade, "No sabemos qué tan ampliamente estará disponible la vacuna más allá de los países más ricos del mundo".

Dúo Dinámico

Las semillas del proyecto AeroNabs se plantaron en 2017, cuando Walter escuchó a Manglik dar una charla sobre su trabajo.

A primera vista, los dos científicos parecen ser una extraña pareja. Con su cabeza llena de cabello oscuro, sonrisa juvenil, y barbilla bien afeitada, Manglik podría confundirse con un estudiante de posgrado. De hecho, es una estrella en ascenso en su campo que en 2013 hizo Científico americano Lista de "30 menores de 30". Nacido en India, Manglik pasó sus primeros ocho años en Arabia Saudita antes de que su familia emigrara a Des Moines. Iowa, donde descubrió la ciencia en la universidad. El Walter de 60 y tantos, por otra parte, luce una barba y un bigote completamente blancos y anteojos de lentes pequeños. Nació y creció en Alemania, vino a los Estados Unidos por su trabajo de posgrado, y ha trazado una carrera legendaria. Sus muchos honores incluyen el prestigioso Premio Lasker, a menudo visto como un precursor de un premio Nobel. Pero a pesar de sus diferencias, Walter y Manglik comparten una profunda pasión por la biología molecular y sus bloques de construcción orgánicos infinitamente flexibles:las proteínas.

La charla de Manglik ese día fue sobre su esfuerzo por reunir una de las bibliotecas de nanocuerpos más grandes del mundo, un prometedor, un tipo de anticuerpo relativamente nuevo derivado de la sangre de llamas, camellos y otros animales de la familia de los camélidos. Primero aprendió sobre nanocuerpos en la escuela de posgrado en Stanford, después de enamorarse del estudio de los receptores, una amplia familia de proteínas implicadas en la señalización intercelular. Los receptores sobresalen de las células como antenas, cada uno respondiendo a una señal química específica. Mientras estudiaba los receptores de adrenalina humanos, Manglik hizo un uso extensivo de nanocuerpos, cuales, gracias a su pequeño tamaño, puede interactuar con los receptores con mucha más precisión que los anticuerpos hechos a medida que estaba usando para explorar las propiedades de los receptores. Sus experimentos revelaron cómo las diferentes configuraciones geométricas de los receptores influyen en su comportamiento de señalización.

"Las proteínas no son simples Legos que encajan, son como Legos hechos de gelatina o masilla, "Manglik explica." Están en constante movimiento. De hecho, es el movimiento de una proteína, resulta, eso realmente importa por cómo funciona. Y los nanocuerpos pueden ayudarnos a controlar ese movimiento ".

Nanocuerpos:una bendición para la ciencia

Los nanocuerpos fueron descubiertos a fines de la década de 1980 por un par de estudiantes de la Universidad Libre de Bruselas. después de que se acercaron a su profesor de biología, un inmunólogo llamado Raymond Hamers, para quejarse de una asignación. La historia ha oscurecido el motivo de su queja; un relato ampliamente citado sostiene que a los estudiantes les preocupaba que la tarea, que les obligó a analizar los anticuerpos en sangre humana, podría infectarlos con una enfermedad. Otra versión dice que los estudiantes sintieron que el experimento era aburrido y le pidieron a su profesor que les asignara algo más original.

Cualquiera que sea la verdad nadie discute lo que sucedió después. Hurgando en un frigorífico de laboratorio, Hamers encontró un frasco de suero de camello dromedario congelado infectado con parásitos que se cree que causan la enfermedad del sueño africana. Se lo dio a los estudiantes y sugirió que aislaran los anticuerpos en la sangre del camello para ver cómo se veían. Cuando los estudiantes purificaron la sangre, descubrieron algo asombroso.

Además de los anticuerpos estándar que se encuentran en todos los vertebrados, las muestras purificadas contenían un anticuerpo derivado nunca antes visto en la ciencia:más pequeño, proteínas más simples, que los estudiantes al principio confundieron con fragmentos de anticuerpos convencionales. Un examen más detenido reveló que se trataba de una clase completamente nueva de agentes inmunitarios, carece de una de las cadenas de proteínas encontradas en todos los demás anticuerpos estudiados previamente.

El descubrimiento condujo a un innovador artículo de 1993 en la prestigiosa revista Naturaleza . Hamers y sus estudiantes llamaron a los nuevos nanocuerpos de proteínas diminutas. Posteriormente se identificaron anticuerpos monocatenarios similares en llamas, alpacas, guanacos (otro mamífero sudamericano de cuello largo), e incluso tiburones.

Pronto se hizo evidente que no solo los nanocuerpos eran útiles inmunológicamente, pero que su pequeño tamaño los convertía en herramientas experimentales útiles, como Manglik y sus colegas de UCSF pueden confirmar ampliamente.

Estudiando cómo se mueven estos bloques de construcción gelatinosos de nivel molecular, romper y desabrochar, e interactuar se convirtió en el enfoque de Manglik cuando se unió a la facultad de UCSF. Desde el principio supo que los nanocuerpos serían una gran parte de su trabajo. Aunque existen anticuerpos y nanocuerpos para ayudar a los animales a combatir las infecciones, Manglik también los ve como una herramienta infinitamente maleable que puede usarse para piratear una amplia gama de procesos en el cuerpo humano, así como para decodificar misterios científicos básicos. Pero la fabricación de nanocuerpos requería mucho tiempo y era necesario tener acceso a los camélidos. Como estudiante de posgrado, Manglik había confiado en un colaborador en Bélgica que inyectaría una proteína receptora de interés en una llama, luego recolecte los nanocuerpos de la sangre del animal. Todo el proceso tomó meses de trabajo muy especializado, que solo unos pocos grupos tenían la capacidad de hacer.

Democratizar el acceso a los nanocuerpos para los investigadores de todo el mundo, Manglik se asoció con Andrew Kruse, Doctor., un amigo cercano de la escuela de posgrado que se había unido a la facultad de la Facultad de Medicina de Harvard. Juntos, los dos laboratorios crearon billones de secuencias de ADN únicas que codifican nanocuerpos, cada uno inspirado en los nanocuerpos que normalmente se encuentran dentro de las llamas. Las secuencias de ADN de estos nanocuerpos se encuentran en un vasto grupo de miles de millones de diminutas células de levadura, cada uno de los cuales puede ser persuadido para que coloque una copia de un nanocuerpo individual en su superficie. Pasando por alto por completo la necesidad de una llama viva, dicha biblioteca brinda a los investigadores acceso a células de levadura que albergan nanocuerpos específicos para una tarea determinada. Manglik y Kruse han compartido abiertamente sus bibliotecas con cientos de laboratorios de todo el mundo.

"La idea es que en un animal, hay billones de nanocuerpos diferentes para luchar contra cualquier cosa que pueda encontrar, ", dice." Queríamos hacer una biblioteca que codificara miles de millones de nanocuerpos individuales. Esta biblioteca sería un gran punto de partida para encontrar un nanocuerpo contra prácticamente cualquier cosa, todo en el laboratorio y sin la necesidad de inyectar un animal ".

Después de escuchar a Manglik explicar todo esto, Walter llevó a su estudiante graduado Michael Schoof al laboratorio de Manglik. Schoof estaba tratando de modular el comportamiento de una proteína relacionada con una lesión cerebral traumática, y Walter sospechaba que los nanocuerpos de Manglik podrían ser útiles en ese esfuerzo.

Entonces llegó el coronavirus, el mundo se detuvo, y casi todas las actividades no relacionadas con COVID en la Universidad cerraron.

"Entonces, en ese momento, dijimos, "Bien, podemos sentarnos en casa ahora, o podemos pensar en cómo podemos ayudar realmente en este esfuerzo por encontrar una solución, '", Recuerda Walter.

Dentro de unos días, Walter y Schoof estaban en contacto por correo electrónico con Manglik. Conocían las propiedades de los nanocuerpos para combatir las enfermedades. Una tecnología de nanocuerpos había ganado recientemente la aprobación de la FDA para tratar un trastorno de la coagulación de la sangre, y otro, utilizado para tratar un virus respiratorio, había llegado a ensayos clínicos en etapa tardía.

¿Era posible que pudieran construir uno para combatir el coronavirus?

Un resultado asombroso

Desde el principio, el equipo sabía, el éxito del proyecto dependería de su capacidad para encontrar un nanocuerpo con suficiente afinidad de unión:la capacidad de adherirse a los picos del coronavirus y su camisa de fuerza.

Las proteínas tienen formas específicas. Lo bien que encajan dos proteínas determina su afinidad de unión. Walter y Manglik sabían que la afinidad de unión que hace que el SARS-CoV-2 se adhiera a las proteínas ACE2 podría, en teoría, ser superada por un nanocuerpo con la forma correcta.

Manglik ya tenía un ingrediente clave para tal experimento. Investigadores de la Universidad de Texas (UT) en Austin habían revelado recientemente la estructura única de los picos del SARS-CoV-2 que permitían que el virus se uniera a los receptores ACE2 de las células humanas. Manglik se acercó a Jason McLellan de UT, Doctor., que accedió a enviarle su "construcción", un fragmento de ADN que codifica los picos que podrían insertarse en otra célula, expresado en grandes cantidades, purificado y se utiliza para experimentos.

El equipo comenzó a examinar los 2 mil millones de nanocuerpos en la biblioteca para ver si podían encontrar compuestos con la afinidad de unión adecuada a los picos de SARS-CoV-2. Dentro de tres semanas, habían identificado 800 candidatos potenciales, y una semana después, Schoof escribió su cauteloso correo electrónico nocturno para informar a Manglik y Walter que había visto algunos resultados positivos iniciales. A finales de abril, el equipo había identificado 21 nanocuerpos distintos que parecían competir con el receptor ACE2, teóricamente bloqueando el mecanismo de fijación del SARS-CoV-2.

Fue entonces cuando el pequeño equipo comenzó a aumentar de tamaño, reclutar biólogos estructurales para que se concentren en cómo los nanocuerpos se unen a la proteína pico del SARS-CoV-2, y luego usar esta información para diseñar modificaciones para hacerlas aún más poderosas.

Eso requirió purificar 21 proteínas candidatas, probando su unión, y luego utilizando las instalaciones de microscopía crioelectrónica de UCSF para obtener imágenes con una resolución casi atómica de los candidatos más prometedores, mientras estaban vinculados al pico de SARS-CoV-2. Para completar esta monumental tarea, unieron fuerzas con un esfuerzo paralelo conocido como el Consorcio de Biología Estructural QCRG, un proceso similar a una línea de ensamblaje elaborado por 12 miembros de la facultad de UCSF y más de 60 aprendices para abordar el SARS-CoV-2. El esfuerzo fue impulsado por un sentido de urgencia, y los participantes trabajaron agotadoras horas hasta altas horas de la noche.

Una vez que el equipo tuvo imágenes de los nanocuerpos superiores unidos al pico de SARS-CoV-2, comenzaron a examinar el mecanismo de unión único de cada nanocuerpo y utilizaron esa información para diseñar una versión de próxima generación. Se decidieron por construir un nanocuerpo de tres brazos que consta de tres copias de un solo nanocuerpo cosidas para que pueda unirse simultáneamente a los tres brazos separados que componen cada pico de coronavirus.

Después de unir los nanocuerpos y probarlos, Bryan Faust, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Manglik, entregó el siguiente hallazgo emocionante:cada uno de los tres brazos mejoró exponencialmente la unión de sus vecinos. La capacidad de la versión mejorada para unirse a los picos virales aumentó doscientas mil veces.

"Este fue un resultado asombroso:ver este enorme orden de mejora, Walter recuerda:"Fue un momento de celebración absoluta".

Para probar el compuesto contra un virus vivo, el equipo necesitaba un laboratorio con una designación de nivel de bioseguridad 3 (BSL-3). El grupo reclutó a Marco Vignuzzi, Doctor., un ex postdoctorado de UCSF que dirige un laboratorio BSL-3 en el Institut Pasteur de París. Por junio, uno de los postdoctorados de Vignuzzi estaba ejecutando el nanocuerpo UCSF contra el SARS-CoV-2 real para ver si era capaz de neutralizar el virus.

El resultado final fue muy eficaz y estable, tan estable que se puede administrar en forma de aerosol utilizando un nebulizador de malla que Manglik compró en Amazon.

Con el láser Big Pharma centrado en el desarrollo de vacunas y anticuerpos tradicionales, encontrar un camino rápido hacia la comercialización ha resultado ser un desafío. Pero Manglik, Walter, y su equipo no se deja intimidar.

"Es casi seguro que habrá más pandemias respiratorias en nuestra vida, "dice Manglik." Podría ser influenza, otra pandemia de SARS, o algún patógeno que ni siquiera conocemos todavía. Para la próxima pandemia, la esperanza es que los investigadores puedan ir no solo tan rápido como nosotros, pero tal vez incluso más rápido ".

Sin duda, Sería difícil encontrar un testimonio más potente de la deliciosa imprevisibilidad y el potencial de la ciencia moderna:que una pandemia que ha causado soledad, sufrimiento, y la muerte también dio lugar a esta tripulación ecléctica y su solución potencialmente salvadora que hace apenas unos años podría haber parecido absurda.

"Es solo una de esas cosas en las que dices, "Queremos emprender esta aventura, ", Dice Walter." Nos comprometimos a hacerlo, y luego funcionó mucho mejor de lo que podríamos haber soñado ".