Uma equipe de pesquisadores, incluindo o corpo docente da Northwestern Engineering, expandiu a compreensão de como os invólucros de vírus se auto-montam, um passo importante para o desenvolvimento de técnicas que usam vírus como veículos para distribuir drogas e terapêuticas direcionadas por todo o corpo.

Ao realizar múltiplas substituições de aminoácidos, os pesquisadores descobriram casos de epistasia, um fenômeno no qual duas mudanças produzem um comportamento diferente do comportamento que cada mudança provoca individualmente.

"Encontramos ocorrências em que duas alterações separadas de um único aminoácido causaram a quebra da casca do vírus ou se tornou realmente instável, mas fazer as duas mudanças juntas produziu uma estrutura estável que funcionou melhor do que nunca, "disse Danielle Tullman-Ercek, professor associado de engenharia química e biológica na McCormick School of Engineering.

O artigo intitulado "Avaliação Experimental de Coevolução em uma Partícula de Auto-montagem, "foi publicada na edição impressa de 19 de março da Bioquímica . Tullman-Ercek atuou como co-autor correspondente do artigo junto com o colaborador Matthew Francis, professor de química da Universidade da Califórnia em Berkeley.

O trabalho se baseia em pesquisas anteriores nas quais Tullman-Ercek e colaboradores desenvolveram uma nova técnica, chamado SyMAPS (Systematic Mutation and Assembled Particle Selection), para testar variações de uma proteína usada por um vírus bacteriano chamado bacteriófago MS2. Ao substituir os aminoácidos um de cada vez ao longo da cadeia da proteína MS2, a equipe poderia estudar como o andaime do vírus foi afetado pelas diferentes combinações, incluindo quais mudanças preservaram a estrutura da concha ou a quebraram.

A pesquisa mais recente baseia-se no progresso da equipe usando SyMAPS para analisar várias alterações de aminoácidos na partícula MS2, um requisito para manipular com eficácia os invólucros de vírus no futuro, Tullman-Ercek disse. Os pesquisadores estudaram cada combinação dupla de aminoácidos ao longo de uma alça polipeptídica localizada dentro da estrutura do MS2 e mediram como a estrutura do vírus foi afetada.

Um fator que produz epistasia foi equilibrar as cargas de aminoácidos que foram substituídas, disse Tullman-Ercek, membro do Centro de Biologia Sintética da Northwestern. Trocando dois aminoácidos carregados positivamente, por exemplo, fez com que a partícula se repelisse e se partisse, mas equilibrar uma única mudança de aminoácido positiva com uma carga negativa separada compensou a mudança e preservou a estabilidade.

"Parecia um efeito imprevisível, mas se você olhar para as tendências gerais dos dados, aprendemos que a carga é muito importante para manter o equilíbrio, "Tullman-Ercek disse." Não podíamos ver isso com base nos dados que acumulamos com as alterações individuais, mas continuamos voltando a essa questão de balanceamento de carga. "

A equipe planeja expandir os testes para determinar se os comportamentos encontrados na partícula MS2 se aplicam a vírus semelhantes.

"Leva anos para otimizar cada componente de um andaime de vírus, "Tullman-Ercek disse." Estamos tentando reduzir o tempo que leva para otimizar o veículo de entrega, aprendendo as regras de como ele é montado para que possamos construir um do zero. "

Dependendo de sua finalidade ou destino final no corpo, scaffolds de vírus requerem propriedades de design exclusivas. Um vírus implantado no cérebro para tratar um tumor, por exemplo, pode precisar de maior estabilidade em sua forma do que aquela enviada aos pulmões. Quanto mais gerais forem as regras que regem o design, a maior variedade de partículas pode ser construída e implantada no futuro.

“Se tivermos que otimizar o veículo de entrega para cada caso individual, levará décadas para fazer progresso, então descobrir as regras subjacentes é importante, "disse ela." É um projeto de ciência fundamental, mas tem o potencial de realmente impactar o projeto de muitas terapias futuras. "

Os insights também levaram a equipe a questionar como sua estratégia pode ser combinada com o que já é conhecido - e desconhecido - sobre a evolução.

“Em evolução, as mudanças se complementam, uma de cada vez, "Tullman-Ercek disse." Estamos fazendo essas mudanças deliberadamente em nosso laboratório, o que faz você se perguntar como a natureza atinge esses estados epistáticos com combinações que produziriam resultados negativos por conta própria. Queremos construir isso para entrega de drogas, mas os resultados levantam questões interessantes sobre como as mudanças são otimizadas na natureza para começar. "