Bioingeniører skaber vej til personlig medicin

Engineering cellulær biologi, minus den faktiske celle, er et voksende interesseområde inden for bioteknologi og syntetisk biologi. Det er kendt som cellefri proteinsyntese, eller CFPS, og det har potentiale til at levere bæredygtige måder at fremstille kemikalier på, medicin og biomaterialer.

Desværre, et mangeårigt hul i cellefrie systemer er evnen til at fremstille glykosylerede proteiner-proteiner med en kulhydratbinding. Glykosylering er afgørende for en lang række vigtige biologiske processer, og evnen til at forstå og kontrollere denne mekanisme er afgørende for sygdomsbehandling og forebyggelse.

Matthew DeLisa, William L. Lewis professor i teknik ved Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering ved Cornell University, og Michael Jewett, lektor i kemisk og biologisk teknik ved Northwestern University, er gået sammen om en ny tilgang, der bygger bro over dette hul. Deres system, den første af slagsen, udnytter de seneste fremskridt inden for CFPS, samtidig med at den afgørende glycosyleringskomponent tilføjes i en forenklet, "one-pot" reaktion. Det valgte protein kan derefter frysetørres og reaktiveres til syntes ved brug ved simpelthen at tilsætte vand.

DeLisa og Jewett er co-senior forfattere af "Single-pot Glycoprotein Biosynthesis Using a Cell-Free Transcription-Translation System beriget med glycosyleringsmaskiner, "udgivet 12. juli i Naturkommunikation .

Thapakorn Jaroentomeechai, Ph.d. studerende i DeLisa Research Group, og Jessica Stark '12, Ph.d. elev i Jewett -gruppen, er co-first forfattere.

"Hvis du virkelig vil have en nyttig, bærbar og anvendelig vaccine eller terapeutisk proteinteknologi, der er cellefri, du skal finde ud af kulhydratvedhæftningen, "Sagde DeLisa." Det er, i det væsentlige, hvad vi har gjort på en meget kraftfuld måde. "

Dette arbejde kan påvirke udviklingen af ​​decentrale fremstillingsstrategier. Hurtig adgang til proteinbaserede lægemidler i fjerntliggende omgivelser kan ændre liv; nye biofremstillingsparadigmer, der er egnede til brug i lavressourceindstillinger, kan fremme bedre adgang til dyre lægemidler gennem lokale, produktion i mindre partier.

DeLisa har forsket meget i de molekylære mekanismer, der ligger til grund for proteinbiogenese i det komplekse miljø i en levende celle, såsom Escherichia coli ( E coli ). Mens hans laboratorium har gjort nogle bemærkelsesværdige gennembrud, begrænsningerne i dette område, han sagde, er selve cellevæggene.

Jewetts laboratorium i Northwestern har investeret meget af sin forskningsindsats i cellefri syntetisk biologi, som udnytter naturens mest elegante biomaskiner uden for cellens grænser, så et samarbejde var en naturlig forlængelse af begge laboratoriers arbejde.

"I bakteriecelleteknik, du er konstant i en tovtrækkeri, "Sagde Jewett." Du introducerer en mekanisme eller kapacitet, der er interessant for dig som videnskabsmand, men det, cellen forsøger at gøre for sig selv, er at vokse og overleve. "

For deres nye metode, teamet forberedte celleekstrakter fra en optimeret laboratoriestamme af E. coli, CLM24, der blev selektivt beriget med vigtige glycosyleringskomponenter. De resulterende ekstrakter muliggjorde et forenklet reaktionsskema, som teamet har døbt cellefri glycoproteinsyntese (CFGpS).

"Et stort fremskridt med dette arbejde er, at vores cellefrie ekstrakter indeholder alt det molekylære maskineri til proteinsyntese og proteinglycosylering, "Stark sagde." Det betyder, at du kun skal tilføje DNA -instruktioner til dit protein af interesse for at lave et glycoprotein i CFGpS. Dette er en drastisk forenkling fra cellebaserede metoder og giver os mulighed for at lave sofistikerede glycoproteinmolekyler på mindre end en dag. "

Og CFGpS -metoden er yderst modulær, tillader anvendelse af forskellige og forskelligartede ekstrakter til at blive blandet til fremstilling af en række forskellige glykoproteiner.

"Fordi vi valgte E. coli, som mangler sit eget glycosyleringsmaskineri, at bygge vores CFGpS -platform, det gav os en tom skifer til bottom-up-konstruktion af ethvert ønsket glycosyleringssystem, "Jaroentomeechai sagde." Dette giver os den unikke evne til at kontrollere kulhydratstrukturer og renheder af glycoproteinerne på niveauer, der i øjeblikket ikke kan opnås i andre cellebaserede ekspressionssystemer. "

Selv i udviklede lande som USA, skridtet mod personlig medicin gør denne type on-demand lægemiddelproduktionsprotokol attraktiv. "Du kan bruge et reagensglas i stedet for et 50, 000-liters bioreaktor til at lave dit produkt, som åbner døren til et personligt bioproducerende paradigme, hvor hver patient kan modtage en unik proteinmedicin, der er skræddersyet til deres fysiologi, " han sagde.