Muitas proteínas são úteis como medicamentos para distúrbios como diabetes, Câncer, e artrite. Sintetizar versões artificiais dessas proteínas é um processo demorado que requer a engenharia genética de micróbios ou outras células para produzir a proteína desejada.

Os químicos do MIT desenvolveram um protocolo para reduzir drasticamente a quantidade de tempo necessária para gerar proteínas sintéticas. Sua máquina de síntese de fluxo automatizada de mesa pode reunir centenas de aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, dentro de horas. Os pesquisadores acreditam que sua nova tecnologia pode acelerar a fabricação de terapias sob demanda e o desenvolvimento de novos medicamentos, e permitir que os cientistas projetem proteínas artificiais incorporando aminoácidos que não existem nas células.

"Você poderia projetar novas variantes com função biológica superior, ativado pelo uso de aminoácidos não naturais ou modificações especializadas que não são possíveis quando você usa o aparato da natureza para fazer proteínas, "diz Brad Pentelute, professor associado de química do MIT e autor sênior do estudo.

Em um jornal publicado hoje em Ciência , os pesquisadores mostraram que podiam produzir quimicamente várias cadeias de proteínas de até 164 aminoácidos de comprimento, incluindo enzimas e fatores de crescimento. Para um punhado dessas proteínas sintéticas, eles realizaram uma análise detalhada mostrando que sua função é comparável à de suas contrapartes naturais.

Os principais autores do artigo são a ex-pós-doc Nina Hartrampf do MIT, que agora é professor assistente da Universidade de Zurique, Aluno de pós-graduação do MIT Azin Saebi, e o ex-associado técnico do MIT Mackenzie Poskus.

Produção rápida

A maioria das proteínas encontradas no corpo humano tem até 400 aminoácidos de comprimento. Sintetizar grandes quantidades dessas proteínas requer a entrega de genes para as proteínas desejadas em células que atuam como fábricas vivas. Este processo é usado para programar células bacterianas ou de levedura para produzir insulina e outras drogas, como hormônios de crescimento.

"Este é um processo demorado, "diz Thomas Nielsen, chefe de química de pesquisa da Novo Nordisk, que também é autor do estudo. "Primeiro você precisa do gene disponível, e você precisa saber algo sobre a biologia celular do organismo para que possa projetar a expressão de sua proteína. "

Uma abordagem alternativa para a produção de proteínas, proposto pela primeira vez na década de 1960 por Bruce Merrifield, que mais tarde recebeu o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho na síntese de peptídeos em fase sólida, é amarrar quimicamente os aminoácidos em etapas. Existem 20 aminoácidos que as células vivas usam para construir proteínas, e usando as técnicas pioneiras de Merrifield, leva cerca de uma hora para realizar as reações químicas necessárias para adicionar um aminoácido a uma cadeia peptídica.

Nos últimos anos, O laboratório de Pentelute inventou um método mais rápido para realizar essas reações, com base em uma tecnologia conhecida como química de fluxo. Em sua máquina, produtos químicos são misturados usando bombas e válvulas mecânicas, e em cada etapa da síntese geral eles percorrem um reator aquecido contendo um leito de resina. No protocolo otimizado, formar cada ligação peptídica leva em média 2,5 minutos, e os peptídeos de até 25 aminoácidos podem ser montados em menos de uma hora.

Seguindo o desenvolvimento desta tecnologia, Novo Nordisk, que produz várias drogas proteicas, interessou-se em trabalhar com o laboratório da Pentelute para sintetizar peptídeos e proteínas mais longos. Para conseguir isso, os pesquisadores precisavam melhorar a eficiência das reações que formam ligações peptídicas entre os aminoácidos da cadeia. Para cada reação, sua taxa de eficiência anterior estava entre 95 e 98 por cento, mas para proteínas mais longas, eles precisavam que fosse superior a 99%.

"A justificativa era se nos tornássemos realmente bons em fazer peptídeos, poderíamos expandir a tecnologia para fazer proteínas, "Pentelute diz." A ideia é ter uma máquina na qual o usuário possa se aproximar e inserir uma sequência de proteínas, e encadearia esses aminoácidos de maneira tão eficiente que, no final do dia, você pode obter a proteína que deseja. Tem sido muito desafiador porque se a química não estiver perto de 100 por cento para cada etapa, você não obterá nenhum dos materiais desejados. "

Para aumentar sua taxa de sucesso e encontrar a receita ideal para cada reação, os pesquisadores realizaram reações de acoplamento específicas de aminoácidos sob muitas condições diferentes. Neste estudo, eles montaram um protocolo universal que alcançou uma eficiência média superior a 99 por cento para cada reação, o que faz uma diferença significativa quando tantos aminoácidos estão sendo ligados para formar grandes proteínas, dizem os pesquisadores.

"Se você quiser fazer proteínas, este 1 por cento extra realmente faz toda a diferença, porque os subprodutos se acumulam e você precisa de uma alta taxa de sucesso para cada aminoácido incorporado, "Hartrampf diz.

Usando essa abordagem, os pesquisadores foram capazes de sintetizar uma proteína que contém 164 aminoácidos - Sortase A, uma proteína bacteriana. Eles também produziram pró-insulina, um precursor da insulina com 86 aminoácidos, e uma enzima chamada lisozima, que tem 129 aminoácidos, bem como algumas outras proteínas. A proteína desejada deve ser purificada e, em seguida, dobrada na forma correta, o que adiciona mais algumas horas ao processo geral de síntese. Todas as proteínas sintetizadas purificadas foram obtidas em quantidades de miligramas, constituindo entre 1 e 5 por cento do rendimento geral.

Química Medicinal

Os pesquisadores também testaram as funções biológicas de cinco de suas proteínas sintéticas e descobriram que elas eram comparáveis ​​às das variantes expressas biologicamente.

A capacidade de gerar rapidamente qualquer sequência de proteína desejada deve permitir o desenvolvimento e teste de drogas mais rápidos, dizem os pesquisadores. A nova tecnologia também permite que outros aminoácidos além dos 20 codificados pelo DNA de células vivas sejam incorporados às proteínas, expandindo enormemente a diversidade estrutural e funcional de drogas proteicas potenciais que poderiam ser criadas.

"Isso está abrindo caminho para um novo campo da química medicinal de proteínas, "Nielsen diz." Esta tecnologia realmente complementa o que está disponível para a indústria farmacêutica, proporcionando novas oportunidades para a rápida descoberta de biofármacos baseados em peptídeos e proteínas. "

Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar ainda mais a tecnologia para que ela possa montar cadeias de proteínas de até 300 aminoácidos. Eles também estão trabalhando na automação de todo o processo de fabricação, de modo que, uma vez que a proteína é sintetizada, a clivagem, purificação, e os degraus de dobra também ocorrem sem a necessidade de qualquer intervenção humana.