Mediante la entrega de hebras de material genético conocido como ARN mensajero (mRNA) en las células, los investigadores pueden inducir a las células a producir cualquier proteína codificada por el mRNA. Esta técnica tiene un gran potencial para la administración de vacunas o el tratamiento de enfermedades como el cáncer, pero el logro de la entrega eficiente de mRNA ha demostrado ser un reto.
Ahora, un equipo de ingenieros químicos del MIT, inspirado en la forma en que las células traducen su propio mRNA en proteínas, ha diseñado un sistema de suministro sintético que es cuatro veces más eficaz que la entrega de mRNA por sí solo.
“Si queremos ser capaces de entregar mRNA, entonces necesitamos un mecanismo para ser más eficaces en ello, porque todo lo que se ha utilizado hasta ahora le da una pequeña fracción de lo que sería la eficiencia óptima”, dice Paula Hammond, un David H. Koch Profesor de Ingeniería, jefe del Departamento de Ingeniería Química del MIT y miembro del Instituto Koch de Investigación Integrativa del Cáncer del MIT.
Hammond es el principal autor del artículo, que aparece en Angewandte Chemie . Los autores principales del trabajo son el postdoctor Jiahe Li y el estudiante graduado Yanpu He. Otros co-autores en el papel son Wade Wang, Connie Wu, y Celestine Hong del laboratorio de Hammond.
Máquinas de proteínas
El ARN mensajero lleva instrucciones genéticas del ADN, que no puede dejar el núcleo de la célula, a los ribosomas de la célula, que ensamblan las proteínas basadas en la secuencia del mRNA. Messenger RNA es atractivo como un vehículo potencial para tratar la enfermedad o entregar vacunas porque después de que una cadena de mRNA se traduce en la proteína deseada, eventualmente se degrada.
“No cambia el código genético”, dice Hammond. “No hay posibilidad de que la incorporación de un gen pueda ocurrir, por lo que el factor de seguridad es mucho mayor”.
Para este enfoque de trabajo, mRNA tiene que entrar en las células de manera eficiente, y una vez allí, tiene que llegar a los ribosomas para ser traducido a la proteína. En un estudio previo, los investigadores del MIT descubrieron que podrían mejorar la velocidad de la traducción del ARNm uniendo una cápsula proteica a un extremo de la hebra del mRNA. Esta tapa ayuda a mRNA para formar un complejo que se necesita para iniciar la traducción.
En el nuevo estudio, los investigadores se centraron en el otro extremo de la molécula de ARNm. El ARNm de origen natural suele tener una larga “cola poli-A”, formada por una larga secuencia de repeticiones de adenosina, que estabiliza la molécula y ayuda a resistir la descomposición de las enzimas en la célula.
El equipo del MIT decidió adjuntar a esta cola una proteína llamada proteína de unión a poli-A. Esta proteína, que se encuentra naturalmente en las células, ayuda al mRNA a unirse a los ribosomas y comenzar el proceso de traducción.
Los investigadores entonces cubrieron este complejo con un tipo de polímero conocido como un polipéptido, que es una secuencia de aminoácidos modificados enlazados juntos en una cadena. Este polipéptido sirve como un andamio para mantener la proteína de unión a poli-A y mRNA en contacto cercano, y ayuda a neutralizar el mRNA cargado negativamente. Sin esa neutralización, el ARNm no sería capaz de pasar a través de las membranas celulares, que también están cargadas negativamente.
Una vez que el ARNm recubierto de polímero entra en una célula, la proteína de unión a poli-A protege de su descomposición y ayuda a enlazarse con ribosomas. El mRNA forma un bucle cerrado para que un ribosoma pueda recorrerlo muchas veces, produciendo muchas copias de la proteína diana. De esta manera, el efecto del ARNm, que es una terapia genética muy costosa, se puede mejorar significativamente mediante la combinación con polipéptidos y proteínas sintéticas mucho más baratos.
“El enfoque convencional es sólo para entregar mRNA en las células”, dice Li. “Pero una vez que el ARNm entra en las células puede ser degradado, por lo que formamos un complejo que es crucial para la iniciación de la traducción del mRNA”.
El enfoque del MIT también ayuda a superar otro desafío para la entrega de mRNA, que es que las moléculas son muy grandes, dice Peixuan Guo, profesor de farmacéutica y sistemas de suministro de fármacos en la Universidad Estatal de Ohio.
“Los hallazgos del grupo de Paula Hammond en este artículo demuestran que el ARNm puede administrarse eficientemente mediante el uso de proteínas de unión a poli-A”, dice Guo, quien no estuvo involucrado en la investigación. “Esta tecnología demuestra un gran aumento en las cargas útiles entregadas y pavimentará una nueva forma de entrega de mRNA”.
Mayor expresión de proteínas
Los investigadores probaron este sistema mediante la entrega de mRNA que codifica el gen de la luciferasa, una proteína brillante, en los pulmones de los ratones. Ellos encontraron que con este tipo de entrega, las células produjeron cuatro veces más proteína como lo hicieron cuando sólo ARNm fue envasado con el mismo polipéptido para el parto.
Una de las razones por las que este sistema es más eficiente, creen los investigadores, es que elimina la necesidad de que el ARNm encuentre proteínas de unión a poli-A en el ambiente de citoplasma atestado después de que el ARNm entre en la célula.
“Nos dimos cuenta de que las células probablemente sólo hacen suficiente de esta proteína de unión poli-A para traducir su propio mRNA”, dice. “Una vez que entregue el exceso de mRNA, la célula no tiene suficiente de esta proteína auxiliar para traducirla. Nos dimos cuenta de que necesitamos darle más proteína auxiliar, pre-ensamblarla con nuestros polipéptidos para imitar la estructura de la síntesis de proteínas, y luego entregar este ensamblaje bio-inspirado en la célula “.
En este estudio, las partículas de ARNm se acumularon en los pulmones debido a la carga positiva del polipéptido, lo que permitió que las partículas se unieran a los glóbulos rojos y atraparan un paseo a los pulmones. Sin embargo, los investigadores ahora planean explorar la modificación de las partículas con los polímeros que los dirigirá a otras localizaciones en el cuerpo, incluyendo tumores.
También están trabajando en mejorar aún más la estabilidad de las moléculas polipeptídicas añadiendo una cola hidrófoba a un extremo y uniendo un polímero denominado PEG. Ambas modificaciones deben ayudar a las moléculas a circular más tiempo en el cuerpo, lo que les permite llegar a sus destinos previstos.
La investigación fue financiada por el Departamento de Defensa (DoD) del Programa de Investigación del Cáncer de Ovario Teal Innovador Premio, el DoD Peer Revisado Programa de Investigación Ortopédica Idea de Desarrollo y un Koch Instituto Quinquenal Postdoctoral Fellowship.
Fuente: MIT