UABDivulga - Barcelona recerca i innovació

La teràpia gènica no viral, la inserció de gens en el genoma amb finalitats terapèutiques sense usar virus, i en general les nanomedicines emergents pretenen imitar les activitats virals en forma de nanopartícules modulables per al lliurament d’àcids nucleics i altres fàrmacs en les cèl·lules diana.

Entre una gran diversitat de materials testats, les proteïnes són biocompatibles, biodegradables i, a més, ofereixen un ampli espectre de funcions que es pot ajustar per enginyeria genètica. Una versatilitat funcional que contrasta amb el control gairebé nul exercit fins al moment sobre l’organització dels blocs estructurals dissenyats de novo per formar complexos utilitzant proteïnes. Mentre que les nanopartícules de proteïnes basades en models naturals aprofiten les activitats d’auto-acoblament dels seus blocs estructurals evolutivament optimitzats, els monòmers de proteïnes multifuncionals dissenyats íntegrament de novo no arriben a assolir una organització predefinida a la nanoescala.

Recentment, el grup del professor Antonio Villaverde ha descobert la combinació necessària perquè aquestes proteïnes actuïn com a virus artificials i puguin autoacoblar-se formant nanopartícules proteiques regulars, capaces de penetrar en les cèl·lules diana i arribar al nucli d’una manera molt eficient. La clau és una combinació d’un pèptid catiònic a més d’una hexahistidina situats en els extrems amino i caboxi- terminal, respectivament, de proteïnes modulars.

Encara que aquestes nanopartícules proteiques uneixen eficientment ADN plasmídic per a l’expressió posterior d’aquests transgens i són eines molt prometedores en la nanomedicina, la seva organització supramolecular ha estat fins ara sense explorar. En aquest article han demostrat com, en presència d’ADN, els contactes promoguts per la cua d’hexahistidines són capaços d’adaptar-se a reajustaments estructurals, entre altres els que promouen una reorientació dels segments catiònics en la superfície interna, que converteixen oligòmers senzills en estructures supramoleculars més complexes, formant cobertes proteiques tancades, de manera similar als virus. Les interaccions catiòniques semblen ser la força motriu de la interacció primària ADN-proteïna, la qual cosa es tradueix en la protecció de l’ADN enfront de les nucleases externes.

Mitjançant l’autoacoblament de les R9-GFP-H6 amb extrems catiònics, s’obtenen espontàniament dos models arquitectònics, l’isomètric i l’helicoïdal, com els que s’observen en els virus naturals, que protegeixen de manera eficient l’ADN extern dins d’una closca proteica. Aquesta doble conformació estructural en l’escala nano recorda l’organització de les proteïnes virals.

És important destacar que la capacitat dels dominis catiònics terminals per promoure l’auto-acoblament proteic sembla ser independent de la proteïna estructural escollida (en aquest cas es va triar GFP però també s’han fet estudis amb proteïnes estructuralment diferents), o almenys no sembla limitat a un tipus de proteïna en particular. Això obre l’oportunitat de seleccionar candidats de proteïnes homòlogues no immunogèniques com a blocs de construcció de les nanopartícules, per tal d’evitar qualsevol resposta immune després de l’administració sistèmica, que podria ser un punt crític per a l’ús terapèutic dels virus artificials basats en proteïnes auto-acoblables dissenyades de novo.

En resum, s’ha demostrat per primera vegada com els virus artificials basats en proteïnes, és a dir, les nanopartícules funcionals formades per proteïnes acte-acoblables capaces d’embolicar eficaçment un nucli d’ADN, poden ser generats pel disseny totalment de novo de blocs arquitectònics. Aquest fet no només valida R9 i H6 com pèptids pleiotròpics en vehicles per a la teràpia gènica no viral, sinó que també revela un potencial arquitectònic inesperat d’aquests dominis en la generació de proteïnes modulables, les propietats de les quals es poden ajustar addicionalment mitjançant enginyeria de proteïnes convencional. Aquests agents versàtils són alternatives prometedores a les nanopartícules proteiques naturals, incloses els virus, que a causa de diverses limitacions, incloent l’arquitectura rígida i els temes de bioseguretat, poden resultar menys adequats per al seu ús en nanomedicina.

Figura superior esquerra. Reconstrucció en 3D de seccions en sèrie de microscòpia confocal que mostren nanopartícules ADN-proteïna en què s’aprecia l’ADN (intern) en blau, i la proteïna (externa) en verd.