Biologia celular de engenharia, menos a célula real, é uma área crescente de interesse em biotecnologia e biologia sintética. É conhecido como síntese de proteínas livres de células, ou CFPS, e tem potencial para fornecer maneiras sustentáveis ​​de fazer produtos químicos, medicamentos e biomateriais.

Infelizmente, uma lacuna de longa data em sistemas livres de células é a capacidade de fabricar proteínas glicosiladas - proteínas com um anexo de carboidrato. A glicosilação é crucial para uma ampla gama de processos biológicos importantes, e a capacidade de compreender e controlar esse mecanismo é vital para o tratamento e prevenção de doenças.

Matthew DeLisa, o William L. Lewis Professor de Engenharia na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering na Cornell University, e Michael Jewett, professor associado de engenharia química e biológica da Northwestern University, se uniram em uma nova abordagem que preenche essa lacuna. Seu sistema, O primeiro de sua espécie, capitaliza os avanços recentes no CFPS ao adicionar o componente de glicosilação crucial de uma forma simplificada, reação "one-pot". A proteína escolhida pode então ser liofilizada e reativada para síntese no ponto de uso, simplesmente adicionando água.

DeLisa e Jewett são co-autores seniores de "Single-pot Glycoprotein Biosynthesis Using a Cell-Free Transcription-Translation System Enriched with Glycosylation Machinery, "publicado em 12 de julho em Nature Communications .

Thapakorn Jaroentomeechai, Ph.D. aluno do Grupo de Pesquisa DeLisa, e Jessica Stark '12, Ph.D. estudante do grupo Jewett, são co-primeiros autores.

"Se você realmente quer ter um útil, vacina portátil e implantável ou tecnologia de proteína terapêutica que é livre de células, você tem que descobrir o apego ao carboidrato, "DeLisa disse." Isso é, em essência, o que fizemos de uma forma muito poderosa. "

Este trabalho pode impactar o desenvolvimento de estratégias de manufatura descentralizadas. O acesso rápido a medicamentos à base de proteínas em locais remotos pode mudar vidas; novos paradigmas de biofabricação adequados para uso em ambientes de poucos recursos podem promover melhor acesso a medicamentos caros por meio local, produção de pequenos lotes.

DeLisa fez muitas pesquisas sobre os mecanismos moleculares subjacentes à biogênese de proteínas no ambiente complexo de uma célula viva, tal como Escherichia coli ( E. coli ) Embora seu laboratório tenha feito algumas descobertas notáveis, as limitações desta área, ele disse, são as próprias paredes celulares.

O laboratório de Jewett em Northwestern investiu muito de seus esforços de pesquisa em biologia sintética livre de células, que aproveita a biomaquinária mais elegante da natureza fora dos limites da célula, portanto, a colaboração foi uma extensão natural do trabalho de ambos os laboratórios.

"Na engenharia de células bacterianas, você está constantemente em um cabo de guerra, "Jewett disse." Você está introduzindo um mecanismo ou capacidade que é do seu interesse como cientista, mas o que a célula está tentando fazer por si mesma é crescer e sobreviver. "

Para seu novo método, a equipe preparou extratos celulares de uma cepa de laboratório otimizada de E. coli, CLM24, que foram enriquecidos seletivamente com componentes-chave de glicosilação. Os extratos resultantes permitiram um esquema de reação simplificado, que a equipe apelidou de síntese de glicoproteína livre de células (CFGpS).

"Um grande avanço deste trabalho é que nossos extratos livres de células contêm toda a maquinaria molecular para a síntese e glicosilação de proteínas, "Stark disse." O que isso significa é que você só precisa adicionar instruções de DNA para sua proteína de interesse para fazer uma glicoproteína em CFGpS. Esta é uma simplificação drástica dos métodos baseados em células e nos permite fazer moléculas de glicoproteína sofisticadas em menos de um dia. "

E o método CFGpS é altamente modular, permitindo o uso de extratos distintos e diversos a serem misturados para a produção de uma variedade de glicoproteínas.

"Porque escolhemos E. coli, que não tem seu próprio maquinário de glicosilação, para construir nossa plataforma CFGpS, deu-nos uma folha em branco para a engenharia ascendente de qualquer sistema de glicosilação desejado, "Jaroentomeechai disse." Isso nos dá a capacidade única de controlar as estruturas de carboidratos e a pureza das glicoproteínas em níveis que não são atualmente alcançáveis ​​em outros sistemas de expressão baseados em células. "

Mesmo em países desenvolvidos como os EUA, o movimento em direção à medicina personalizada torna esse tipo de protocolo de produção de medicamentos sob demanda atraente. "Você poderia usar um tubo de ensaio em vez de 50, Biorreator de 000 litros para fazer o seu produto, que abre a porta para um paradigma de biofabricação personalizado, onde cada paciente pode receber um medicamento proteico exclusivo adaptado à sua fisiologia, " ele disse.