Dentro de una célula viva, muchos mensajes importantes se comunican a través de interacciones entre proteínas. Para que estas señales se transmitan con precisión, cada proteína debe interactuar solo con su compañero específico, evitando la diafonía no deseada con cualquier proteína similar.

Un nuevo estudio del MIT arroja luz sobre cómo las células pueden prevenir la diafonía entre estas proteínas, y también muestra que sigue habiendo una gran cantidad de posibles interacciones de proteínas que las células no han utilizado para la señalización. Esto significa que los biólogos sintéticos podrían generar nuevos pares de proteínas que pueden actuar como circuitos artificiales para aplicaciones como el diagnóstico de enfermedades, sin interferir con las vías de señalización existentes de las células.

"Utilizando nuestro enfoque de alto rendimiento, puede generar muchas versiones ortogonales de una interacción particular, lo que le permite ver cuántas versiones aisladas diferentes de ese complejo de proteínas se pueden construir", dice Conor McClune, un estudiante graduado del MIT y autor principal de el estudio.

En el nuevo artículo, que aparece hoy en Naturaleza, los investigadores produjeron nuevos pares de proteínas de señalización y demostraron cómo pueden usarse para vincular nuevas señales a nuevas salidas mediante ingeniería E. coli células que producen fluorescencia amarilla después de encontrar una hormona vegetal específica.

Michael Laub, profesor de biología del MIT, es el autor principal del estudio. Otros autores son la recién graduada del MIT Aurora Alvarez-Buylla y Christopher Voigt, el profesor Daniel IC Wang de Biotecnología Avanzada.

Nuevas combinaciones

En este estudio, los investigadores se centraron en un tipo de vía de señalización llamada señalización de dos componentes, que se encuentra en bacterias y algunos otros organismos. Una amplia variedad de vías de dos componentes ha evolucionado a través de un proceso en el que las células duplican genes para señalar las proteínas que ya tienen, y luego las mutan, creando familias de proteínas similares.

"Es intrínsecamente ventajoso que los organismos puedan expandir este pequeño número de familias de señalización de manera bastante dramática, pero corre el riesgo de que haya una diafonía entre estos sistemas que son muy similares", dice Laub. "Entonces se convierte en un desafío interesante para las células: ¿cómo se mantiene la fidelidad del flujo de información y cómo se combinan entradas específicas con salidas específicas?"

La mayoría de estos pares de señalización consisten en una enzima llamada quinasa y su sustrato, que es activada por la quinasa. Las bacterias pueden tener docenas o incluso cientos de estos pares de proteínas que transmiten diferentes señales.

Hace unos años 10, Laub mostró que la especificidad entre las quinasas bacterianas y sus sustratos está determinada por solo cinco aminoácidos en cada una de las proteínas asociadas. Esto planteó la cuestión de si las células ya se han agotado, o están a punto de agotar, todas las combinaciones únicas posibles que no interferirán con las vías existentes.

Algunos estudios previos de otros laboratorios habían sugerido que el número posible de interacciones que no interferirían entre sí podría estar agotándose, pero la evidencia no era definitiva. Los investigadores del MIT decidieron adoptar un enfoque sistemático en el que comenzaron con un par de E. coli proteínas de señalización, conocidas como PhoQ y PhoP, y luego introdujeron mutaciones en las regiones que determinan su especificidad.

Esto produjo más de 10,000 pares de proteínas. Los investigadores probaron cada quinasa para ver si activarían alguno de los sustratos e identificaron alrededor de 200 pares que interactúan entre sí pero no con las proteínas parentales, los otros pares nuevos o cualquier otro tipo de familia de sustrato quinasa que se encuentre en E. coli.

"Lo que descubrimos es que es bastante fácil encontrar combinaciones que funcionen, donde dos proteínas interactúan para transducir una señal y no hablan con nada más dentro de la célula", dice Laub.

Ahora planea tratar de reconstruir la historia evolutiva que ha llevado a que ciertas células usen ciertos pares de proteínas, mientras que muchas otras combinaciones posibles no han evolucionado naturalmente.

Circuitos sinteticos

Este estudio también ofrece una nueva estrategia para crear nuevos circuitos de biología sintética basados ​​en pares de proteínas que no se cruzan con otras proteínas celulares, dicen los investigadores. Para demostrar esa posibilidad, tomaron uno de sus nuevos pares de proteínas y modificaron la quinasa para que fuera activada por una hormona vegetal llamada trans-zeatina, y diseñaron el sustrato para que brillara de color amarillo cuando la quinasa lo activara.

“Esto demuestra que podemos superar uno de los desafíos de poner un circuito sintético en una célula, que es que la célula ya está llena de proteínas de señalización”, dice Voigt. "Cuando intentamos mover un sensor o circuito entre especies, uno de los mayores problemas es que interfiere con las vías que ya existen".

Una posible aplicación para este nuevo enfoque es diseñar circuitos que detecten la presencia de otros microbios. Dichos circuitos podrían ser útiles para crear bacterias probióticas que podrían ayudar a diagnosticar enfermedades infecciosas.

“Las bacterias pueden diseñarse para detectar y responder a su entorno, con aplicaciones generalizadas, como bacterias intestinales 'inteligentes' que podrían diagnosticar y tratar la inflamación, la diabetes o el cáncer, o microbios del suelo que mantienen niveles adecuados de nitrógeno y eliminan la necesidad de fertilizantes. Para construir tales bacterias, los biólogos sintéticos necesitan 'sensores' codificados genéticamente ”, dice Jeffrey Tabor, profesor asociado de bioingeniería y biociencias en la Universidad de Rice.

“Una de las principales limitaciones de la biología sintética ha sido que nuestras partes genéticas fallan en los nuevos organismos por razones que no entendemos (como las conversaciones cruzadas). Lo que muestra este documento es que hay mucho espacio disponible para rediseñar los circuitos para que esto no suceda ”, dice Tabor, quien no participó en la investigación.

Si se adapta para su uso en células humanas, este enfoque también podría ayudar a los investigadores a diseñar nuevas formas de programar las células T humanas para destruir las células cancerosas. Este tipo de terapia, conocida como terapia con células CAR-T, ha sido aprobada para tratar algunos cánceres de sangre y también se está desarrollando para otros tipos de cáncer.

Aunque las proteínas de señalización involucradas serían diferentes de las de este estudio, "el mismo principio se aplica en que la terapéutica se basa en nuestra capacidad de tomar conjuntos de proteínas modificadas y ponerlas en un contexto genómico novedoso, y esperamos que no interfieran con vías ya en las células ", dice McClune.

La investigación fue financiada por el Instituto Médico Howard Hughes, la Oficina de Investigación Naval y la Beca de Capacitación Predoctoral de los Institutos Nacionales de Salud.