Sistema di iniezione batterica fornisce proteine in topi e cellule umane.

A bacterial injection system provides proteins to mice and human cells.

Con ulteriore sviluppo, il sistema programmabile potrebbe essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, tra cui terapie geniche e contro il cancro.

Purified Photorhabdus virulence cassettes, imaged using transmission electron microscopy.

Ricercatori presso l’Istituto McGovern per la Ricerca sul Cervello al MIT e l’Istituto Broad del MIT e Harvard hanno utilizzato un sistema batterico naturale per sviluppare un nuovo metodo di somministrazione di proteine che funziona nelle cellule umane e negli animali. La tecnologia, descritta oggi su Nature, può essere programmata per consegnare una varietà di proteine, anche per la modifica genetica, a diversi tipi di cellule. Il sistema potrebbe potenzialmente rappresentare un modo sicuro ed efficiente per somministrare terapie geniche e terapie contro il cancro.

Sotto la guida del professore associato del MIT Feng Zhang, che è un ricercatore dell’Istituto McGovern e membro fondatore dell’Istituto Broad, il team ha sfruttato una piccola struttura di iniezione a forma di siringa, prodotta da un batterio, che si lega naturalmente alle cellule degli insetti e inietta un carico proteico in esse. I ricercatori hanno utilizzato lo strumento di intelligenza artificiale AlphaFold per ingegnerizzare queste strutture a siringa per consegnare una gamma di proteine utili sia alle cellule umane che alle cellule di topi vivi.

“Questo è un bellissimo esempio di come l’ingegneria proteica possa alterare l’attività biologica di un sistema naturale”, afferma Joseph Kreitz, primo autore dello studio, laureando in ingegneria biologica al MIT e membro del laboratorio di Zhang. “Credo che questo sostenga l’ingegneria proteica come uno strumento utile in bioingegneria e nello sviluppo di nuovi sistemi terapeutici”.

“La somministrazione di molecole terapeutiche è un grande ostacolo per la medicina, e avremo bisogno di molte opzioni per far arrivare queste nuove terapie potenti alle giuste cellule nel corpo”, aggiunge Zhang. “Imparando dal modo in cui la natura trasporta le proteine, siamo stati in grado di sviluppare una nuova piattaforma che può aiutare a colmare questo gap”.

Zhang è autore principale dello studio ed è anche il professore di Neuroscienze James e Patricia Poitras al MIT e un investigatore dell’Istituto Medico Howard Hughes.

Iniezione tramite contrazione

I batteri simbiotici utilizzano le macchine a forma di siringa lunghe circa 100 nanometri per iniettare proteine nelle cellule ospiti per aiutare a regolare la biologia del loro ambiente e migliorare la loro sopravvivenza. Queste macchine, chiamate sistemi di iniezione contrattili extracellulari (eCISs), consistono in un tubo rigido all’interno di una guaina che si contrae, spingendo una punta all’estremità del tubo attraverso la membrana cellulare. Ciò costringe il carico proteico all’interno del tubo ad entrare nella cellula.

All’esterno di una delle estremità dell’eCIS ci sono fibre di coda che riconoscono specifici recettori sulla superficie cellulare e si attaccano. Ricerche precedenti hanno dimostrato che gli eCIS possono naturalmente mirare alle cellule degli insetti e dei topi, ma Kreitz ha pensato che potesse essere possibile modificarli per consegnare proteine alle cellule umane, ingegnerizzando le fibre di coda per legarsi a diversi recettori.

Utilizzando AlphaFold, che prevede la struttura di una proteina dalla sua sequenza di aminoacidi, i ricercatori hanno ridisegnato le fibre di coda di un eCIS prodotto dal batterio Photorhabdus per legarsi alle cellule umane. Ingengnerizzando un’altra parte del complesso, gli scienziati hanno ingannato la siringa per consegnare una proteina di loro scelta, in alcuni casi con un’efficienza notevolmente alta.

Il team ha prodotto eCIS che miravano alle cellule tumorali che esprimevano il recettore EGF e ha dimostrato che uccidevano quasi il 100% delle cellule, ma non influivano sulle cellule senza il recettore. Sebbene l’efficienza dipenda in parte dal recettore che il sistema è progettato per colpire, Kreitz afferma che i risultati dimostrano la promessa del sistema con una progettazione oculata.

I ricercatori hanno anche utilizzato un eCIS per consegnare proteine al cervello in topi vivi, dove non ha provocato una risposta immunitaria rilevabile, suggerendo che gli eCIS potrebbero un giorno essere utilizzati per consegnare terapie geniche in modo sicuro agli esseri umani.

Confezionamento di proteine

Kreitz afferma che il sistema eCIS è versatile, e il team lo ha già utilizzato per consegnare una gamma di carichi, comprese proteine base editor (che possono apportare modifiche di una singola lettera al DNA), proteine tossiche per le cellule tumorali e Cas9, un grande enzima di taglio del DNA utilizzato in molti sistemi di modifica genetica.

In futuro, Kreitz afferma che i ricercatori potrebbero ingegnerizzare altri componenti del sistema eCIS per regolare altre proprietà o per consegnare altri carichi come il DNA o l’RNA. Vuole anche comprendere meglio la funzione di questi sistemi nella natura.

“Noi e altri abbiamo dimostrato che questo tipo di sistema è incredibilmente diverso in tutta la biosfera, ma non sono molto ben caratterizzati”, ha detto Kreitz. “E crediamo che questo tipo di sistema giochi un ruolo davvero importante nella biologia che è ancora da esplorare”.

Questo lavoro è stato supportato, in parte, dai National Institutes of Health, l’Istituto Medico Howard Hughes, il Poitras Center for Psychiatric Disorders Research al MIT, l’Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research al MIT, l’Hock E. Tan and K. Lisa Yang Molecular Therapeutics Center al MIT, il K. Lisa Yang Brain-Body Center al MIT, i donatori del Broad Institute Programmable Therapeutics Gift, la Pershing Square Foundation, William Ackman, Neri Oxman, J. e P. Poitras, Kenneth C. Griffin, BT Charitable Foundation, la Asness Family Foundation, la famiglia Phillips, D. Cheng e R. Metcalfe.