Ao entregar fitas de material genético conhecido como RNA mensageiro (mRNA) nas células, os pesquisadores podem induzir as células a produzir qualquer proteína codificada pelo mRNA. Esta técnica tem grande potencial para administrar vacinas ou tratar doenças como o câncer, mas alcançar a entrega eficiente de mRNA provou ser um desafio.

Agora, uma equipe de engenheiros químicos do MIT, inspirado na forma como as células traduzem seu próprio mRNA em proteínas, projetou um sistema de entrega sintética que é quatro vezes mais eficaz do que entregar mRNA por conta própria.

"Se quisermos ser capazes de entregar mRNA, então precisamos de um mecanismo para ser mais eficaz nisso, porque tudo o que foi usado até agora fornece uma fração muito pequena do que seria a eficiência ideal, "diz Paula Hammond, um David H. Koch Professor em Engenharia, o chefe do Departamento de Engenharia Química do MIT, e membro do Koch Institute for Integrative Cancer Research do MIT.

Hammond é o autor sênior do artigo, que aparece em Angewandte Chemie . Os principais autores do artigo são o pós-doutorando Jiahe Li e o estudante de graduação Yanpu He. Outros co-autores do artigo são Wade Wang, Connie Wu, e Celestine Hong do laboratório Hammond.

Máquinas de proteína

O RNA mensageiro carrega instruções genéticas do DNA, que não pode deixar o núcleo da célula, aos ribossomos da célula, que montam proteínas com base na sequência de mRNA. O RNA mensageiro é atraente como um veículo potencial para tratar doenças ou entregar vacinas porque, após uma fita de mRNA ser traduzida na proteína desejada, eventualmente se degrada.

"Isso não muda o código genético, "Hammond diz." Não há chance de que a incorporação de um gene possa acontecer, portanto, o fator de segurança é muito maior. "

Para que essa abordagem funcione, O mRNA tem que entrar nas células de forma eficiente, e uma vez lá, ele precisa chegar aos ribossomos para ser traduzido em proteína. Em um estudo anterior, os pesquisadores do MIT descobriram que poderiam melhorar a taxa de tradução do mRNA anexando uma tampa de proteína a uma das extremidades da fita de mRNA. Esta tampa ajuda o mRNA a formar um complexo que é necessário para iniciar a tradução.

No novo estudo, os pesquisadores se concentraram na outra extremidade da molécula de mRNA. O mRNA de ocorrência natural geralmente tem uma longa "cauda poli-A, "composta por uma longa sequência de repetições de adenosina, que estabiliza a molécula e a ajuda a resistir a ser quebrada por enzimas na célula.

A equipe do MIT decidiu anexar uma proteína chamada proteína de ligação poli-A a essa cauda. Esta proteína, que é encontrado naturalmente nas células, ajuda o mRNA a se ligar aos ribossomos e iniciar o processo de tradução.

Os pesquisadores então revestiram este complexo com um tipo de polímero conhecido como polipeptídeo, que é uma sequência de aminoácidos modificados enfileirados em uma cadeia. Este polipeptídeo serve como uma estrutura para manter a proteína de ligação poli-A e o mRNA em contato próximo, e ajuda a neutralizar o mRNA carregado negativamente. Sem essa neutralização, mRNA não seria capaz de passar através das membranas celulares, que também são carregados negativamente.

Uma vez que o mRNA revestido com polímero entra em uma célula, a proteína de ligação poli-A protege-o contra sua degradação e ajuda-o a se ligar aos ribossomos. O mRNA forma um circuito fechado para que um ribossomo possa circular por ele muitas vezes, produzindo muitas cópias da proteína alvo. Desta maneira, o efeito do mRNA, que é uma terapêutica genética muito cara, pode ser significativamente melhorado pela combinação com polipeptídeos e proteínas sintéticos muito mais baratos.

"A abordagem convencional é apenas entregar mRNA nas células, "Li diz." Mas, uma vez que o mRNA entra nas células, pode ser degradado, então formamos um complexo que é crucial para o início da tradução do mRNA. "

A abordagem do MIT também ajuda a superar outro desafio de entrega de mRNA, que é que as moléculas são muito grandes, diz Peixuan Guo, professor de farmacêutica e sistemas de distribuição de medicamentos na Ohio State University.

"As descobertas do grupo de Paula Hammond neste artigo provam que o mRNA pode ser entregue com eficiência por meio do uso de proteínas de ligação poli-A, "diz Guo, que não participou da pesquisa. "Esta tecnologia demonstra um grande aumento nas cargas úteis entregues e abrirá um novo caminho para a entrega de mRNA."

Maior expressão de proteína

Os pesquisadores testaram este sistema entregando mRNA que codifica o gene da luciferase, uma proteína brilhante, para os pulmões dos ratos. Eles descobriram que, com este tipo de entrega, as células produziram quatro vezes mais proteína do que quando apenas o mRNA foi empacotado com o mesmo polipeptídeo para entrega.

Uma razão pela qual este sistema é mais eficiente, os pesquisadores acreditam, é que elimina a necessidade de mRNA para encontrar proteínas de ligação poli-A no ambiente de citoplasma lotado após o mRNA entrar na célula.

"Percebemos que as células provavelmente produzem apenas o suficiente dessa proteína de ligação poli-A para traduzir seu próprio mRNA, "Ele diz." Depois de entregar o excesso de mRNA, a célula não tem o suficiente dessa proteína auxiliar para traduzi-la. Percebemos que precisamos fornecer mais proteína auxiliar, pré-montá-lo com nossos polipeptídeos para imitar a estrutura da síntese de proteínas, em seguida, distribua conjuntamente este conjunto bioinspirado na célula. "

Neste estudo, as partículas de mRNA acumuladas nos pulmões por causa da carga positiva do polipeptídeo, o que permitiu que as partículas se ligassem aos glóbulos vermelhos e chegassem aos pulmões. Contudo, os pesquisadores agora planejam explorar a modificação das partículas com polímeros que irão direcioná-los para outros locais do corpo, incluindo tumores.

Eles também estão trabalhando para melhorar ainda mais a estabilidade das moléculas de polipeptídeo, adicionando uma cauda hidrofóbica a uma extremidade, e anexando um polímero chamado PEG. Ambas as modificações devem ajudar as moléculas a circular por mais tempo no corpo, permitindo-lhes chegar aos destinos pretendidos.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.