Техника, позаимствованная у природы и отточенная с помощью искусственного интеллекта, может подтолкнуть разработку лучших систем доставки лекарств.
Исследователи воспользовались молекулярным "шприцем", который некоторые вирусы и бактерии используют для заражения своих хозяев, и использовали его для доставки потенциально терапевтических белков в человеческие клетки, выращенные в лаборатории. "Это поразительно", - считает Фэн Цзян, микробиолог из Института биологии патогенов Китайской академии медицинских наук в Пекине. "Это огромный прорыв".
Методика, опубликованная в журнале Nature 29 марта, может предложить новый способ введения белковых препаратов, но прежде чем ее можно будет использовать на людях, необходимо провести дополнительные испытания. При дальнейшей оптимизации этот подход может также оказаться полезным для доставки компонентов CRISPR-Cas9, необходимых для редактирования генома. Применение CRISPR в медицине в настоящее время ограничено трудностями, связанными с доставкой реагентов - фермента Cas9, разрезающего ДНК, и короткого фрагмента РНК, который направляет Cas9 к определенному участку генома - в клетки.
"Одним из основных узких мест в редактировании генов является доставка", - говорит соавтор исследования Фэн Чжан, молекулярный биолог из Broad Institute of MIT and Harvard в Кембридже, и один из первопроходцев метода CRISPR-Cas9. По его словам, из-за нехватки возможностей большинство клинических испытаний ограничиваются редактированием геномов в клетках печени, глаз или крови, поскольку до этих клеток можно добраться с помощью существующих методов доставки. "Причина, по которой мы не можем победить заболевания мозга или почек заключается в том, что у нас нет хороших систем доставки".
Пока Чжан и его коллеги искали способы доставки белков в клетки человека, микробиологи узнали больше о необычной группе бактерий, которые используют молекулярные шипы для проделывания отверстий в мембранах клеток хозяина. Затем бактерии переносят белки через перфорацию в клетку.
В прошлом году Цзян и его коллеги сообщили, что они могут манипулировать этой шприцеподобной системой в биолюминесцентной бактерии Photorhabdus asymbiotica, загружая в шприц белки по своему выбору из млекопитающих, растений и грибов. Обычно бактерия живет внутри нематод и использует свой шприц для переноса токсина в клетки насекомых, зараженных нематодой. Токсин убивает насекомое, а нематода съедает его останки. "Бактерию можно рассматривать как наемного убийцу насекомого", - говорит соавтор исследования Джозеф Крайтц, молекулярный биолог из Массачусетского технологического института.
В лаборатории Чжана Крайтц и его соавторы работали над тем, как сконструировать молекулярный шприц P. asymbiotica таким образом, чтобы он распознавал человеческие клетки. Они сосредоточились на участке шприца, называемом хвостовым волокном, который обычно связывается с белком, содержащимся в клетках насекомых. Используя программу искусственного интеллекта AlphaFold, которая предсказывает структуру белков, команда разработала способы модификации хвостового волокна, чтобы оно распознавало клетки мыши и человека. "Как только мы получили изображение, его было очень легко модифицировать для наших целей", - рассказывает Крайтц. "Это был момент, когда все сложилось воедино".
Затем исследователи наполнили шприцы различными белками, включая Cas9 и токсины, которые можно использовать для уничтожения раковых клеток, и ввели их в человеческие клетки, выращенные в лаборатории, и в мозг мышей. Система не смогла транспортировать направляющую мРНК, необходимую для редактирования генома CRISPR-Cas9, но исследователи разрабатывают способы сделать это. Тот факт, что система смогла переправить Cas9 в клетки, говорит о гибкости метода, добавляет Крайтц, учитывая, что белок Cas9 примерно в пять раз больше, чем обычный груз шприца.
История со шприцем напоминает то, как исследователи разработали CRISPR-Cas9 - систему, которой многие микроорганизмы пользуются в природе для защиты от вирусов и других патогенов - для использования в качестве метода редактирования генома, считает Асаф Леви, микробиолог из Еврейского университета в Иерусалиме. Как и на заре исследований CRISPR-Cas9, бактериальные шприцы изучаются лишь в нескольких лабораториях, и их роль в микробной экологии только начинает осознаваться. Тем не менее, они могут оказать преобразующее влияние на медицину, утверждает Леви. "Эволюция этой штуки просто поразительна", - говорит он. "Тот факт, что вы можете управлять как полезной нагрузкой, так и специфичностью, - это очень круто".
