Novo método de nano-interrupção de proteínas promete desenvolvimento rápido e confiável de testes de diagnóstico
Interruptor alostérico de porta YES baseado em TEM-1 BLA. um , Representação esquemática do BLA mediando a clivagem de β-lactâmicos. b , Esquema da quimera CaM-BLA na ausência e presença de CaM-BP, que induz uma mudança conformacional e restaura a atividade catalítica da quimera. c , Representação em fita do TEM-1 BLA, onde os locais de inserção do CaM são indicados como bolas que preenchem o espaço. O tamanho das bolas se correlaciona com a faixa dinâmica da quimera resultante (as bolas pequenas representam a faixa dinâmica baixa), enquanto o código de cores reflete a atividade catalítica máxima (o azul é o mais baixo e o vermelho o mais alto). O sítio ativo é marcado por um inibidor de ácido borônico (do PDB no. 1ERQ). d , Análise de atividade da quimera CaM-BLA 41 50 nM na presença (linha vermelha) ou ausência (linha azul) de uma concentração saturante (1 μM) de CaM-BP. e , Como em d , mas usando a quimera CaM-BLA 197. f , Esquema de uma quimera dupla CaM-BLA na ausência e presença de CaM-BP. g , Análise de atividade da quimera CaM-BLA 41 ou 197, testada como em d ou e . h , Um gráfico de atividades catalíticas e faixas dinâmicas de quimeras CaM-BLA realizadas usando quimera purificada 25 nM e 1 μM CaM-BP. O '2CaM-BLA (mut)' representa uma variante termoestabilizada (Fig. Complementar 3f-k). As variantes são coloridas de azul a vermelho para indicar um aumento na faixa dinâmica. eu , Densidades de E. coli expressando um switch 2CaM-BLA cultivado durante a noite em meio de cultura em suspensão em caldo Luria-Bertani contendo 100 μg ml
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de ampicilina e combinações dos seguintes compostos:0,1% (v/v) dimetilsulfóxido (DMSO), 1 μM CaM-BP, 12,5 mM CaCl2 e ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) 10 mM. As barras representam valores de uma média de três experimentos independentes realizados como parte do mesmo conjunto experimental. Os pontos de dados individuais são mostrados como pontos vermelhos. As barras de erro indicam limites positivos e negativos do erro padrão da média. Crédito:Nanotecnologia da Natureza (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01450-y Os pesquisadores da QUT desenvolveram uma nova abordagem para projetar interruptores ON-OFF moleculares baseados em proteínas que podem ser usadas em uma infinidade de aplicações biotecnológicas, biomédicas e de bioengenharia.
A equipe de pesquisa demonstrou que esta nova abordagem permite projetar e construir testes de diagnóstico mais rápidos e precisos para detectar doenças, monitorar a qualidade da água e detectar poluentes ambientais.
O professor Kirill Alexandrov, da Escola de Biologia e Ciências Ambientais da QUT, cientista-chefe da Aliança de Biologia Sintética CSIRO-QUT e pesquisador do Centro de Excelência em Biologia Sintética ARC, disse que a nova técnica publicada na Nature Nanotechnology demonstraram que as trocas de proteínas poderiam ser projetadas de maneira previsível.
O professor Alexandrov disse que os testes de diagnóstico atualmente disponíveis no “ponto de atendimento” que fornecem resultados imediatos, como kits de teste de glicose no sangue, gravidez e COVID, usam sistemas de detecção de proteínas para detectar a presença de açúcar, hormônios da gravidez e proteínas COVID.
"Estes, no entanto, representam apenas uma pequena fração do que é necessário no modelo de cuidados de saúde centrado no paciente", disse o professor Alexandrov.
"No entanto, o desenvolvimento de novos sistemas de detecção é um processo de tentativa e erro desafiador e demorado."
"O novo método 'nano-switch de proteína' pode acelerar enormemente o desenvolvimento de diagnósticos semelhantes, diminuindo o tempo e aumentando a taxa de sucesso. Ele usa proteínas modificadas para se comportarem como interruptores ON/OFF em resposta a alvos específicos."
"A vantagem da nossa abordagem é que o sistema é modular, semelhante à construção com peças de Lego, para que você possa substituir facilmente as peças para atingir outra coisa - outro medicamento ou um biomarcador médico, por exemplo."
O professor Alexandrov disse que o método oferece a possibilidade de construir muitos testes diagnósticos e analíticos diferentes, com uma ampla gama de aplicações possíveis, incluindo diagnósticos em saúde humana e animal, kits de teste para contaminação de água e detecção de metais de terras raras em amostras para direcionar esforços de mineração.
A equipe de pesquisa multidisciplinar incluiu cientistas da QUT e do Centro de Excelência em Biologia Sintética da ARC, composta pelo pesquisador principal, Professor Kirill Alexandrov, Dr. Zhong Guo, Cagla Ergun Ayva, Patricia Walden e Professora Adjunta Claudia Vickers.
A equipe QUT colaborou com os principais eletroquímicos Evgeny Katz e Oleh Smutok da Clarkson University, em Nova York, e o patologista químico Dr. Jacobus Ungerer da Queensland Health.
Para demonstrar a tecnologia, a equipe se concentrou em um medicamento quimioterápico contra o câncer que é tóxico e requer medição constante para garantir o bem-estar do paciente.
“Uma quantidade muito pequena da droga não mata o câncer, mas muito pouco pode matar o paciente”, disse o professor Alexandrov.
O sensor que a equipe projetou para o medicamento usa uma mudança de cor para identificar e quantificar o medicamento.
O professor Alexandrov disse que o próximo passo seria o sensor ser testado nos laboratórios de Queensland Health para aprovação para uso em ambiente clínico.
“É realmente emocionante, porque é a primeira vez que um biossensor de proteínas projetado artificialmente pode ser realmente adequado para uma aplicação de diagnóstico na vida real”, disse o professor Alexandrov.
Dr. Ungerer disse que a tecnologia de engenharia de proteínas desenvolvida pela equipe de pesquisa forneceu um novo meio para criar testes de laboratório.
"Isto tem o potencial de melhorar e expandir os testes laboratoriais, o que resultará em benefícios substanciais para a saúde e para a economia", disse o Dr. Ungerer.
Dr. Guo disse que esses avanços foram possíveis graças a uma equipe internacional e interdisciplinar e ao excelente trabalho em equipe.
O professor Alexandrov disse que o próximo passo seria adotar essa abordagem, padronizá-la e escaloná-la, para então começar a construir subsistemas mais sofisticados. Ele disse que há duas direções futuras para o trabalho.
“Uma delas é desenvolver modelos de computador que nos permitam projetar e construir os switches de forma ainda mais rápida e precisa”, disse ele.
"A outra é demonstrar a escala e o potencial da tecnologia através da construção de muitos switches para diferentes aplicações de diagnóstico."
O professor Alexandrov disse que a equipe estava atualmente modificando proteínas existentes, mas no futuro poderiam usar os mesmos princípios para desenvolver componentes que não existiam e que seriam projetados do zero.
“A nova técnica fornece aos cientistas um controle sem precedentes sobre a construção de sistemas de detecção baseados em proteínas”, disse ele.
O artigo 'Desenvolvimento de portas lógicas epistáticas YES e de proteínas e sua montagem em cascatas de sinalização' foi publicado na Nature Nanotechnology .
Mais informações: Guo, Z. et al. Desenvolvimento de portas lógicas de proteínas epistáticas SIM e AND e sua montagem em cascatas de sinalização, Nanotecnologia da Natureza (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01450-y. www.nature.com/articles/s41565-023-01450-y Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza
Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Queensland
