Бактериальная система доставки белков в клетки мышей и человека

Исследователи из Broad Institute (MIT и Гарвард) и McGovern Institute for Brain Research (MIT) использовали естественную бактериальную систему для создания нового метода доставки белков, работающего в клетках человека и животных. Технология, описанная в Nature, может быть запрограммирована на доставку различных белков, включая инструменты для редактирования генов, в разные типы клеток. Система потенциально может стать безопасным и эффективным способом доставки генной и противораковой терапии.

Команда под руководством Фэна Чжана использовала крошечную шприцеобразную инъекционную структуру, производимую бактерией, которая естественным образом связывается с клетками насекомых и вводит в них белковый груз. Исследователи применили инструмент искусственного интеллекта AlphaFold, чтобы модифицировать эти «шприцы» для доставки полезных белков в клетки человека и живых мышей.

«Это прекрасный пример того, как белковая инженерия может изменить биологическую активность природной системы», — сказал Джозеф Крайц, первый автор исследования.

«Доставка терапевтических молекул — основное узкое место в медицине», — добавил Чжан. — «Изучая, как природа транспортирует белки, мы смогли разработать новую платформу».

Инъекция через сокращение

Симбиотические бактерии используют эти машины длиной около 100 нанометров, называемые внеклеточными контрактильными инъекционными системами (eCIS), для инъекции белков в клетки хозяина. Они состоят из жёсткой трубки внутри оболочки, которая сокращается, проталкивая шип на конце трубки через клеточную мембрану. Это заставляет белковый груз внутри трубки попасть в клетку.

Снаружи одного конца eCIS находятся хвостовые волокна, которые распознают специфические рецепторы на поверхности клетки. Крайц предположил, что их можно модифицировать для доставки белков в клетки человека, перепрограммировав волокна на связывание с другими рецепторами.

Используя AlphaFold, исследователи перепроектировали хвостовые волокна eCIS от бактерий Photorhabdus для связывания с клетками человека. Модифицировав другую часть комплекса, учёные заставили «шприц» доставлять выбранный ими белок, в некоторых случаях с очень высокой эффективностью.

Команда создала eCIS, нацеленные на раковые клетки, экспрессирующие рецептор EGF, и показала, что они уничтожили почти 100% клеток, но не затронули клетки без рецептора. Это демонстрирует перспективность системы при грамотной инженерии.

Исследователи также использовали eCIS для доставки белков в мозг живых мышей, где это не вызвало обнаруживаемого иммунного ответа. Это говорит о том, что eCIS в будущем могут безопасно доставлять генные терапии людям.

Упаковка белков

Система eCIS универсальна: команда уже использовала её для доставки различных грузов, включая белки-редакторы оснований (для точечного изменения ДНК), белки, токсичные для раковых клеток, и Cas9 — крупный фермент для разрезания ДНК, используемый во многих системах редактирования генов.

В будущем можно будет модифицировать другие компоненты системы eCIS для настройки её свойств или доставки других грузов, таких как ДНК или РНК.

«Мы и другие показали, что такие системы невероятно разнообразны в биосфере, но они плохо охарактеризованы», — сказал Крайц. — «Мы считаем, что они играют очень важные, ещё не изученные роли в биологии».