Los científicos de la EPFL han desvelado un método que utiliza nanoporos biológicos y aprendizaje profundo para detectar modificaciones de proteínas, lo que ofrece nuevas vías en el diagnóstico de enfermedades.

Las proteínas, los caballos de batalla de la célula, sufren diversas modificaciones después de su síntesis. Debido a que pueden afectar profundamente el funcionamiento de una proteína en la célula, estas "modificaciones postraduccionales" o PTM son clave en numerosos procesos biológicos.

Los PTM también sirven como biomarcadores de varias enfermedades, lo que significa que es crucial que podamos detectarlos y analizarlos con precisión para evitar diagnósticos erróneos. Pero los métodos tradicionales, sin embargo, tienen una sensibilidad y especificidad limitadas, especialmente cuando se trata de bajas concentraciones de proteínas y patrones complejos de PTM.

Ahora, los científicos de la EPFL han desarrollado un método novedoso que combina la sensibilidad de los nanoporos biológicos con la precisión del aprendizaje profundo. Este enfoque innovador puede transformar la forma en que detectamos y analizamos los PTM.

El estudio fue dirigido por los grupos de bioingeniería de Matteo Dal Peraro, Chan Cao e Hilal Lashuel en la Facultad de Ciencias de la Vida de la EPFL y se publica en ACS Nano. .

El nuevo método se centra en el uso de un nanoporo biológico, específicamente la toxina formadora de poros aerolisina, para detectar y distinguir péptidos, los componentes básicos de las proteínas, con diferentes PTM. El grupo de Dal Peraro trabajó anteriormente con nanoporos basados ​​en aerolisina para fabricar sensores de alta resolución de moléculas complejas e incluso leer datos codificados en macromoléculas sintéticas. Esta tecnología de nanoporos es lo suficientemente sensible como para detectar estos péptidos en concentraciones picomolares, una mejora significativa con respecto a las técnicas existentes.

Pero ¿cómo funciona el método? A medida que los péptidos pasan a través del nanoporo, provocan cambios característicos en el flujo de iones a través del nanoporo:la llamada "corriente iónica". Cada tipo de PTM cambia la estructura del péptido de una manera única, lo que genera firmas distintas de corrientes; Al registrar estos cambios en la corriente, el método puede identificar y diferenciar entre varios PTM en los péptidos.

Lo que hace que este enfoque se destaque aún más es que luego utiliza algoritmos de aprendizaje profundo para analizar datos complejos y clasificar con precisión los péptidos en función de sus patrones PTM. El modelo puede identificar con confianza las firmas características actuales de los péptidos y sus variantes de PTM, proporcionando una forma rápida, automática y muy precisa de clasificarlos.

Para probar el enfoque, los investigadores recurrieron a la experiencia de Lashuel, cuyo laboratorio ha sido pionero en el desarrollo de enfoques de biología sintética y química para investigar el papel de las enfermedades neurodegenerativas de los PTM. "Demostramos que podemos explotar el poder de detección de nuestro nanoporo para detectar y discriminar varias formas PTM de alfa-sinucleína, uno de los biomarcadores y objetivos más buscados para desarrollar terapias para tratar el Parkinson", dice Chan Cao, líder del estudio. autor.

Los científicos demostraron con éxito que el método de los nanoporos podía detectar y diferenciar proteínas alfa-sinucleína con PTM únicos o múltiples, como la fosforilación, la nitración y la oxidación. "Esta capacidad de identificar múltiples modificaciones simultáneamente cambia las reglas del juego", dice Lashuel. "Permite un mapeo más preciso del código PTM de las proteínas a nivel de molécula única y, por lo tanto, podría ayudar a descubrir nuevos conocimientos sobre la compleja interacción y dinámica de los PTM en los procesos patológicos y su potencial como biomarcadores de enfermedades".

Esta combinación de detección de nanoporos y análisis de datos avanzado abre nuevas posibilidades para comprender las modificaciones de las proteínas con un nivel de detalle antes inalcanzable. La tecnología de nanoporos no solo se puede utilizar para la detección de PTM sino también para el descubrimiento y diagnóstico de biomarcadores.

"Dimos una primera prueba de principio de que este enfoque puede usarse para detectar estos biomarcadores en una imitación de una muestra clínica, lo que proporciona la base para desarrollar herramientas de diagnóstico de una sola molécula para la enfermedad de Parkinson", dice Dal Peraro. El equipo prevé que el método podría convertirse en un dispositivo de diagnóstico portátil, que ofrezca una herramienta rápida, rentable y altamente sensible para uso médico y comercial.

Más información: Chan Cao et al, Detección de una sola molécula asistida por aprendizaje profundo de modificaciones postraduccionales de proteínas con un nanoporo biológico, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c08623

Información de la revista: ACS Nano

Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne