Usando un enfoque basado en proteínas CRISPR, los investigadores del MIT han desarrollado una nueva forma de controlar con precisión la cantidad de una proteína particular que se produce en las células de los mamíferos.
Esta técnica podría usarse para ajustar con precisión la producción de proteínas útiles, como los anticuerpos monoclonales que se usan para tratar el cáncer y otras enfermedades, u otros aspectos del comportamiento celular. En su nuevo estudio, que aparece en Comunicaciones de la naturalezalos investigadores demostraron que este sistema puede funcionar en una variedad de células de mamíferos, con resultados muy consistentes.
«Es un sistema altamente predecible que podemos diseñar por adelantado y luego obtener el resultado esperado», dice William CW Chen, ex investigador científico del MIT. «Es un sistema muy ajustable y adecuado para muchas aplicaciones biomédicas diferentes en diferentes tipos de células».
Chen, quien ahora es profesor asistente de ciencias biomédicas en la Universidad de Dakota del Sur, es uno de los autores principales del nuevo estudio, junto con el ex científico investigador del MIT Leonid Gaidukov y el postdoctorado Yong Lai. El autor principal, Timothy Lu, dirigió la investigación como profesor asociado de ingeniería biológica y de ingeniería eléctrica e informática del MIT.
Control de genes
Muchas proteínas terapéuticas, incluidos los anticuerpos monoclonales, se producen en grandes biorreactores que contienen células de mamífero diseñadas para generar la proteína deseada. Hace varios años, los investigadores del Centro de Biología Sintética del MIT, incluido el laboratorio de Lu, comenzaron a trabajar con Pfizer Inc. en un proyecto para desarrollar herramientas de biología sintética que podrían usarse para impulsar la producción de estas proteínas útiles.
Para hacerlo, los investigadores se dirigieron a los promotores de los genes que querían regular al alza. En todas las células de mamíferos, los genes tienen una región promotora que se une a los factores de transcripción, proteínas que inician la transcripción del gen en el ARN mensajero.
En trabajos anteriores, los científicos diseñaron factores de transcripción sintéticos, incluidas proteínas llamadas dedos de zinc, para ayudar a activar los genes diana. Sin embargo, los dedos de zinc y la mayoría de los otros tipos de factores de transcripción sintéticos tienen que ser rediseñados para cada gen al que se dirigen, lo que hace que su desarrollo sea un reto y un proceso lento.
En 2013, los investigadores del laboratorio de Lu desarrollaron un factor de transcripción basado en CRISPR que les permitió controlar más fácilmente la transcripción de genes naturales en células de mamíferos y levaduras. En el nuevo estudio, los investigadores se propusieron aprovechar ese trabajo para crear una biblioteca de partes biológicas sintéticas que les permitiría entregar un transgén, un gen que normalmente no expresa la célula, y controlar con precisión su expresión.
«La idea es tener un sistema promotor sintético de espectro completo que pueda ir de muy bajo a muy alto, para adaptarse a diferentes aplicaciones celulares», dice Chen.
El sistema que diseñaron los investigadores incluye varios componentes. Uno es el gen a transcribir, junto con una secuencia «operadora», que consta de una serie de sitios de unión de factores de transcripción artificiales. Otro componente es un ARN guía que se une a esas secuencias operadoras. Por último, el sistema también incluye un dominio de activación de la transcripción unido a una proteína Cas9 desactivada. Cuando esta proteína Cas9 desactivada se une al ARN guía en el sitio del promotor sintético, el factor de transcripción basado en CRISPR puede activar la expresión génica.
Los sitios promotores utilizados para este sistema sintético fueron diseñados para ser distintos de los sitios promotores naturales, de modo que el sistema no afecte a los genes en los propios genomas de las células. Cada operador incluye entre dos y 16 copias del sitio de unión del ARN guía, y los investigadores descubrieron que su sistema podría iniciar la transcripción de genes a velocidades que corresponden linealmente al número de sitios de unión, lo que les permite controlar con precisión la cantidad de proteína producida.
Alta consistencia
Los investigadores probaron su sistema en varios tipos de células de mamíferos, incluidas las células de ovario de hámster chino (CHO), que se usan comúnmente para producir proteínas terapéuticas en biorreactores industriales. Encontraron resultados muy similares en las células CHO y las otras células que probaron, incluidos los mioblastos de ratón y rata (precursores de las células musculares), las células renales embrionarias humanas y las células madre pluripotentes inducidas por humanos.
«El sistema tiene una consistencia muy alta sobre diferentes tipos de células y diferentes genes objetivo», dice Chen. «Este es un buen punto de partida para pensar en la regulación de la expresión génica y el comportamiento celular con un sistema artificial altamente ajustable y predecible».
Después de demostrar primero que podían usar el nuevo sistema para inducir a las células a producir cantidades esperadas de proteínas fluorescentes, los investigadores demostraron que también podían usarlo para programar la producción de los dos segmentos principales de un anticuerpo monoclonal conocido como JUG444.
Los investigadores también programaron células CHO para producir diferentes cantidades de un anticuerpo humano llamado anti-PD1. Cuando las células T humanas se expusieron a estas células, se convirtieron en asesinos de células tumorales más potentes si se producía una mayor cantidad del anticuerpo.
Aunque los investigadores pudieron obtener un alto rendimiento de los anticuerpos deseados, se necesitaría más trabajo para incorporar este sistema en los procesos industriales, dicen. A diferencia de las células utilizadas en los biorreactores industriales, las células utilizadas en este estudio se cultivaron en una superficie plana, en lugar de en una suspensión líquida.
«Este es un sistema que promete ser usado en aplicaciones industriales, pero primero tenemos que adaptarlo a células suspendidas, para ver si producen las proteínas de la misma manera. Sospecho que debería ser igual, porque no hay razón para que no debería, pero aún tenemos que probarlo», dice Chen.
La investigación fue financiada por el Programa de Biología Sintética RCA de Pfizer-MIT, la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud, la Facultad de Medicina Sanford de la Universidad de Dakota del Sur, una beca postdoctoral NIH Ruth L. Kirschstein NRSA y el Departamento de Defensa.
