Die skalierbare synthetische Biologie revolutioniert die gezielte Therapie mit Logik-Gatter-Proteinen

Die skalierbare synthetische Biologie revolutioniert die gezielte Therapie mit Logik-Gatter-Proteinen

Die gezielte Arzneimittelabgabe ist ein leistungsstarker und vielversprechender Bereich der Medizin. Therapien, die genau die Bereiche des Körpers lokalisieren, in denen sie benötigt werden – und zwar nirgendwo, wo sie nicht gebraucht werden – können die Medikamentendosis reduzieren und potenziell schädliche „Off-Target“-Wirkungen an anderer Stelle im Körper verhindern. Eine gezielte Immuntherapie könnte beispielsweise Krebsgewebe aufspüren und Immunzellen aktivieren, um die Krankheit nur in diesen Geweben zu bekämpfen.

Der schwierige Teil besteht darin, eine Therapie wirklich „intelligent“ zu gestalten, sodass sich das Medikament frei durch den Körper bewegen und entscheiden kann, auf welche Bereiche es abzielt.

Forscher der University of Washington sind diesem Ziel einen bedeutenden Schritt nähergekommen, indem sie Proteine ​​mit autonomen Entscheidungsfähigkeiten entwickelt haben. In einer Proof-of-Principles-Studie, die am 9. Oktober in Nature Chemical Biology veröffentlicht wurde, zeigten Forscher, dass sie durch das Hinzufügen intelligenter Schwanzstrukturen zu therapeutischen Proteinen die Lokalisierung der Proteine ​​basierend auf dem Vorhandensein spezifischer Umweltreize steuern können. Diese Proteinschwänze falten sich in vorprogrammierte Formen, die definieren, wie sie auf verschiedene Kombinationen von Hinweisen reagieren. Darüber hinaus zeigte das Experiment, dass die intelligenten Proteinschwänze an ein Trägermaterial gebunden werden können, um sie an lebende Zellen weiterzuleiten.

Fortschritte in der synthetischen Biologie ermöglichten es den Forschern auch, diese Proteine ​​kostengünstig und innerhalb von Tagen statt Monaten herzustellen.

„Wir haben schon seit einiger Zeit über diese Konzepte nachgedacht, hatten aber Probleme mit Möglichkeiten, die Produktion zu steigern und zu automatisieren“, sagte der leitende Autor Cole DeForest, Professor für Chemieingenieurwesen und Bioingenieurwesen an der UW.

Wir haben nun endlich herausgefunden, wie wir diese Systeme schneller, in größerem Maßstab und mit deutlich höherer logischer Komplexität produzieren können. Wir sind gespannt, wie diese zu ausgefeilteren und skalierbareren Therapien zur Krankheitsverbesserung führen werden.“

Cole DeForest, Professor für Chemieingenieurwesen und Bioingenieurwesen, University of Washington

Das Konzept programmierbarer Biomaterialien ist nicht neu. Wissenschaftler haben zahlreiche Strategien entwickelt, um Systeme auf individuelle Signale – etwa den pH-Wert oder das Vorhandensein spezifischer Enzyme – reagieren zu lassen, die mit einer bestimmten Krankheit oder einem bestimmten Körperbereich in Zusammenhang stehen. Es kommt jedoch selten vor, dass ein Hinweis oder „Biomarker“ nur für eine bestimmte Stelle gilt. Daher kann ein Material, das sich nur auf einen Biomarker konzentriert, zusätzlich zum Ziel auch an einigen unbeabsichtigten Stellen wirken.

Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, nach einer Kombination von Biomarkern zu suchen. Möglicherweise gibt es viele Bereiche des Körpers mit bestimmten Enzym- oder pH-Werten, wahrscheinlich sind es jedoch weniger Bereiche beide dieser Faktoren. Theoretisch gilt: Je mehr Biomarker ein Material identifizieren kann, desto gezielter kann die Arzneimittelabgabe erfolgen.

Im Jahr 2018 entwickelte das Labor von DeForest eine neue Klasse von Materialien, die mithilfe der Booleschen Logik, einem Konzept, das traditionell in der Computerprogrammierung verwendet wird, auf mehrere Biomarker reagierten.

„Wir erkannten, dass wir programmieren konnten, wie Therapeutika freigesetzt werden, indem wir einfach davon abhängen, wie sie mit einem Trägermaterial verbunden sind“, sagte DeForest. „Wenn wir zum Beispiel eine therapeutische Ladung über zwei in Reihe geschaltete abbaubare Gruppen, also eine nach der anderen, mit einem Material verbinden würden, würde diese freigesetzt werden, wenn eine der beiden Gruppen abgebaut würde, und als ODER-Gatter fungieren. Wenn die abbaubaren Gruppen stattdessen parallel geschaltet würden – also jeweils in einer anderen Hälfte eines Zyklus – mussten beide Gruppen für die Ladungsfreisetzung abgebaut werden und als UND-Gatter fungieren. Spannenderweise konnten wir durch die Kombination dieser grundlegenden Tore leicht erstellen fortgeschrittene logische Schaltkreise.

Es war ein großer Fortschritt, aber nicht skalierbar – das Team baute diese großen und komplexen, auf Logik reagierenden Materialien manuell mithilfe traditioneller organischer Chemie auf.

Doch in den nächsten Jahren entwickelte sich das verwandte Gebiet der synthetischen Biologie sprunghaft weiter.

„Das Fachgebiet hat aufregende neue proteinbasierte Werkzeuge entwickelt, die es Forschern ermöglichen können, dauerhafte Bindungen zwischen Proteinen zu bilden“, sagte Co-Erstautor Murial Ross, ein UW-Doktorand für Bioingenieurwesen. „Es öffnete Türen für neue Proteinstrukturen, die zuvor unerreichbar waren, was komplexere logische Operationen ermöglichte.“

Darüber hinaus wurde es praktisch, lebende Zellen als Fabriken zur Herstellung dieser komplexen Proteine ​​zu nutzen, was es Wissenschaftlern ermöglichte, individuelle DNA-Baupläne für neue Proteine ​​zu entwerfen, die DNA in Bakterien oder andere Wirtszellen einzuführen und dann die Proteine ​​mit der gewünschten Struktur direkt aus den Zellen zu sammeln.

Mit diesen neuen Tools haben DeForest und sein Team viele Schritte des Prozesses gleichzeitig rationalisiert und verbessert. Sie entwarfen und produzierten Proteine ​​mit Schwänzen, die sich spontan in individuellere Formen falten und so komplexe „Schaltkreise“ bilden, die auf bis zu fünf verschiedene Biomarker reagieren können. Diese neuen Proteine ​​können an verschiedene Träger – Hydrogele, winzige Kügelchen oder lebende Zellen – gebunden werden, um sie zu einer Zelle oder theoretisch zu einem Krankheitsherd zu transportieren. Das Team hat sogar einen Träger mit drei verschiedenen Proteinen beladen, von denen jedes so programmiert ist, dass es seine einzigartige Ladung basierend auf unterschiedlichen Umwelteinflüssen liefert.

„Wir waren so begeistert von den Ergebnissen“, sagte DeForest. „Mit dem alten Verfahren würde es Monate dauern, nur ein paar Milligramm jedes dieser Materialien zu synthetisieren. Jetzt brauchen wir ein paar Wochen, um vom Konstruktionsentwurf zum Produkt zu gelangen. Das hat für uns eine völlige Wende bedeutet.“

„Der Himmel ist die Grenze. Sie können eine verzögerte und unabhängige Abgabe vieler verschiedener Komponenten in einer Behandlung erreichen“, sagte Ross. „Und ich denke, wir könnten viel, viel größere logische Schaltkreise schaffen, auf die ein Protein reagieren kann. Wir sind jetzt an einem Punkt angelangt, an dem die Technologie das, was wir ernsthaft in Betracht gezogen haben, in Bezug auf Anwendungen übertrifft, und das ist ein großartiger Ort.“

Die Forscher werden nun weiter nach weiteren Biomarkern suchen, auf die Proteine ​​abzielen könnten. Sie hoffen auch, mit anderen Laboren an der UW und darüber hinaus zusammenzuarbeiten, um reale Therapien zu entwickeln und einzusetzen.

Das Team skizzierte auch andere Einsatzmöglichkeiten der Technologie. Dieselben Werkzeuge könnten Therapien innerhalb einer einzelnen Zelle herstellen und sie auf bestimmte Regionen lenken, eine Art Mikrokosmos, wie der Prozess im Körper funktioniert. DeForest stellt sich auch Diagnosetools wie Bluttests vor, die beispielsweise eine bestimmte Farbe annehmen könnten, wenn eine komplexe Reihe von Hinweisen in der Blutprobe vorhanden ist.

DeForest glaubt, dass die ersten praktischen Anwendungen wahrscheinlich Krebsbehandlungen sein werden, aber mit mehr Forschung scheinen die Möglichkeiten endlos zu sein.

„Der Traum besteht darin, jeden beliebigen Ort im Körper auszuwählen – bis hin zu einzelnen Zellen – und ein Material so zu programmieren, dass es dort wirkt“, sagte er. „Das ist eine große Herausforderung, aber mit diesen Technologien kommen wir näher. Mit der richtigen Kombination von Biomarkern werden diese Materialien immer präziser.“

Quellen: