Ewolucja w laboratorium i powstawanie nowych lekarstw

Mechanizm przyśpieszonej ewolucji został odtworzony w laboratorium, dzięki wirusom i bakteriom, i może pozwolić na szybsze uzyskiwanie nowych molekuł o bardzo interesujących właściwościach terapeutycznych. Wirusy mogą być swobodnie sklasyfikowane jako byty na krawędzi życia, co nie przeszkadza temu, żeby były bardzo dobrym narzędziem, użytecznym w badaniach naukowych albo w celach medycznych.

Bardzo często to właśnie one obciążone są misją wprowadzania genów terapeutycznych w trakcie terapii genowej. Albo jeszcze, to wirusy pozwalają na przywrócenie pluripotencji komórkom zróżnicowanym, w celu nadania im upragnionego tytułu „komórek macierzystych”.

Tym razem, wirusy zostały użyte przez naukowców z Uniwersytetu Harvard, którzy próbowali uzyskać nowe molekuły terapeutyczne, i to znacznie szybciej.

Ich praca, której rezultaty zostały opublikowane w prestiżowym przeglądzie Nature, oparły się na przyśpieszeniu mechanizmu ewolucji, nazwanego PACE (phage-assisted continuous evolution, ewolucja ciągła asytowana fagami).

Wirus najszybszy w świecie

Jak jej nazwa wskazuje, technika ta używa „fagów” zwanych jeszcze „bakteriofagami” (wirusy, które infekują specyficznie tylko bakterie). Istnieją one w różnych postaciach i posiadają one bardzo zróżnicowane cechy charakterystyczne, ale punktym wspólnym dla wszystkich bakteriofagów jest to, że namnażają się one szybko, albo nawet bardzo szybko, jeśli chodzi o niektóre z nich.

Użyty wirus w tych badaniach jest mistrzem świata, ponieważ wystarczy mu 10 minut zaledwie, aby wypełnił on swój cykl namnażania, który obejmuje wejście do bakterii, syntezę protein wirusowych oraz produkcję wirionów. W tych warunkach, 60 etapów ewolucji może się odtworzyć w ciągu 24 godzin tylko!

Jeśli prędkość tego systemu jest już wielką korzyścią, to jej autoregulacja (nie potrzebuje on interwencji ludzkiej ręki) jest również czymś, czego nie wolno zaniedbywać.

Bakterie Escherichia coli, gwiazdy laboratoriów badawczych, wrażliwe na wirusy użyte w tym doświadczeniu, są hodowane w płynnym środowisku, gdzie mogą znaleźć wszystkie elementy, które są im potrzebne do rozwoju. Układ kanałów pozwala kierować je stale i automatycznie do drugiego płynnego środowiska, nazwanego laguną, gdzie kąpią się wirusy. Te ostatnie mogą wtedy zainfekować bakterie.

Jedynie osiem dni badań

Prawdziwą sztuczką jest powiązanie pożądanej aktywności z produkcją proteiny niezbędnej do syntezy zaraźliwych fagów. Inaczej mówiąc, jednie fagi, w których zaszła interesująca nas mutacja, będą mogły z kolei zainfekować nowe bakterie.

Bakterie zarażone fagami, w których nie zaszła interesująca nas mutacja, oraz fagi, które okazały się niezaraźliwe, są w związku z tym eliminowane przez stały prąd, w stronę trzeciego środowiska, tak zwanego „kosza”.

Dzięki temu złożonemu procesowi, PACE był w stanie wytworzyć enzymy posiadające nowe właściwości, w trakcie trzech oddzielnych doświadczeń.

Wypełniono więc 200 cykli ewolucji, w ciągu zaledwie 8 dni badań, podczas gdy potrzeba by było wielu lat badań, aby uzyskać taki wynik z konwencjonalnymi metodami, które stosują tylko bakterie.

W kierunku nowych molekuł terapeutycznych

Dlatego też, enzymy polimeraz RNA T7, które zaczynają transkrypcję DNA w RNA zazwyczaj na poziomie promotorów T7, ewoluowały, aby rozpoznawać inne sekwencje DNA (promotor T3). Poza tym, naukowcom udało się zmodyfikować polimerazę RNA, aby móc zainicjować transkrypcję na poziomie nukleotydów adeninowych albo cytozyny, zamias zwyczajowej guaniny.

Technologia ta może być zastosowana do szybkiego uzyskiwania nowych molekuł terapeutycznych. W rzeczywistości, większość leków nowoczesnych jest oparta na małych molekułach organicznych, ale makromolekuły biologiczne mogą być bardziej przystosowane jako produkt farmaceutyczny, w niektórych przypadkach, jak wyjaśnia pan David Liu, jeden z autorów artykułu.

Nasza praca oferuje nowe rozwiązanie jednego z największych wyzwań w zakresie wykorzystywania makrocząsteczek jako narzędzia badawczego albo produktu terapeutycznego dla ludzi: w jaki sposób wygenerować szybko proteiny albo kwasy nukleinowe o pożądanych właściwościach, podsumowuje naukowiec.