A enzima dos pássaros aponta para novas terapias

Como os químicos da Universidade Rice usaram uma via genética rara para projetar metabolicamente células que servem como fábricas de medicamentos para produzir inibidores de trombina que quebram coágulos sanguíneos. O estudo começou com uma pesquisa bioinformática que encontrou a chave em um íbis com crista. Crédito:Xiao Lab/Rice University

Agradeça ao raro íbis com crista por uma pista que um dia poderia ajudar nossos corpos a produzir drogas melhores.
A espécie de ave é a única conhecida por produzir naturalmente uma enzima capaz de gerar um aminoácido não canônico; isto é, um não entre os 20 necessários para codificar a maioria das proteínas.

O fato de ela existir – uma descoberta feita por meio de comparação computacional de bancos de dados de genomas – prova que é possível que essa enzima funcione no contexto de células vivas, mesmo que os cientistas não saibam o que ela faz pela ave.

Mas eles têm uma boa ideia do que isso poderia fazer por nós.

Um novo estudo do químico Han Xiao da Universidade Rice, do físico teórico Peter Wolynes e seus colegas mostra que o aminoácido sulfotirosina (sTyr), um mutante do aminoácido padrão tirosina, é um bloco de construção fundamental para programar células vivas que expressam proteínas terapêuticas. Poderia potencialmente permitir que as células servissem como sensores que monitoram seus ambientes e respondam com o tratamento necessário.

Para imitar a capacidade do íbis de sintetizar sTyr e incorporá-lo em proteínas, é necessário modificar o DNA de uma célula com um códon mutante que, por sua vez, produz a enzima transferase, sulfotransferase 1C1, encontrada na ave. Isso catalisa a geração de sTyr, uma fração de reconhecimento essencial em uma variedade de interações biomoleculares.

O estudo de prova de conceito produziu pela primeira vez células de mamíferos que sintetizam sTyr. Em um experimento, o laboratório Xiao produziu células que aumentaram a potência dos inibidores da trombina, anticoagulantes usados para prevenir a coagulação do sangue.

O estudo aparece em Nature Communications .

“Na natureza, a maioria de nossas espécies é feita com 20 blocos de construção canônicos”, disse Xiao. "Se você quiser adicionar um bloco de construção adicional, precisa pensar em como fazê-lo. Resolvemos esse problema:podemos pedir à célula que o faça.

Cientistas da Rice University desenvolveram células projetadas para expressar proteínas terapêuticas, especificamente um inibidor de trombina. A chave é a inserção específica do local de sulfotirosina (sTyr), um mutante do aminoácido padrão tirosina encontrado naturalmente apenas no íbis com crista. Crédito:Xiao Lab/Rice University

"Mas então temos que ter o mecanismo de tradução para reconhecê-lo. E um códon especial para codificar esse novo bloco de construção", disse ele. "Com este estudo, cumprimos todos esses três requisitos."

Xiao recebeu uma bolsa do National Institutes of Health em 2019 para ver se as células poderiam ser programadas para produzir substâncias com aminoácidos extras. O novo estudo demonstra o progresso dramático do laboratório.

Até agora, os cientistas alimentavam as células com aminoácidos não canônicos sintetizados quimicamente. Fazer com que a célula faça o trabalho é muito mais eficiente, disse Xiao, mas isso requer a descoberta de uma nova enzima transferase com bolsas de tirosina que possam se ligar ao sulfato. Essa combinação de fechadura e chave poderia então ser usada como base para uma variedade de catalisadores.

"Agora, através desta nova estratégia para modificar proteínas, podemos mudar totalmente a estrutura de uma proteína e sua função", disse ele. "Para nossos modelos de inibidores de trombina, mostramos que colocar um bloco de construção não natural na droga pode torná-la muito mais potente".

Valeu a pena dar uma olhada para ver se a natureza os havia vencido em um códon útil. Para isso, Xiao recrutou Wolynes, codiretor do Centro de Física Biológica Teórica, cujo laboratório comparou bancos de dados de genoma e encontrou sulfotransferase 1C1 no ibis.

O laboratório Xiao empregou um códon de parada âmbar mutante, um grupo de três nucleotídeos de uracila, adenina e guanina, para codificar a sulfotransferase desejada, resultando em uma linhagem celular de mamífero completamente autônoma capaz de biossintetizar sTyr e incorporá-lo com grande precisão em proteínas.

"Tivemos sorte", disse Xiao. "Ibis é a única espécie que faz isso, o que foi descoberto por uma pesquisa de similaridade de sequência de informações genômicas. Depois disso, perguntamos se eles podem descobrir por que essa enzima reconhece a tirosina, mas nossa sulfotransferase humana não."

A equipe de Wolynes empregou o AlphaFold2, um programa de inteligência artificial desenvolvido pela DeepMind da Alphabet/Google que prevê estruturas de proteínas.

Os pesquisadores esperam usar a combinação de bioinformática e triagem computacionalmente aprimorada para produzir uma biblioteca de aminoácidos não canônicos biossintetizados. + Explorar mais