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¿Podría sintetizarse artificialmente la proteína distrofina?


¿Podría la proteína distrofina sintetizarse artificialmente y, de ser así, los pacientes con DMD (distrofia muscular de Duchenne) podrían beneficiarse de ella?

// Ahora no tengo mucha formación científica más que un título en biología de la escuela secundaria

Conocí a alguien el otro día de la misma edad que yo que sufre de DMD, así que investigué un poco y la curiosidad me llevó a esta pregunta.

Lo siento si utilicé las etiquetas incorrectas y / o esta pregunta no está permitida.


Gran pregunta.

Sí, es casi seguro que es posible sintetizar artificialmente casi cualquier proteína. Puede haber dificultades con ciertas proteínas, pero se trata más de problemas de ingeniería que de verdaderos límites a la síntesis artificial.

¡El problema es llevar la proteína donde necesita estar para ser funcional!

Una gran comparación es la insulina. La insulina es una proteína reguladora importante que flota en el torrente sanguíneo. Eso hace que la terapia con insulina sea una solución relativamente sencilla a un problema de insuficiencia de insulina: todo lo que tiene que hacer es producir o aislar algo de insulina e inyectarla en el torrente sanguíneo.

La distrofina, sin embargo, es una proteína estructural que actúa dentro células. Las proteínas son realmente grandes y no pueden ser absorbidas simplemente por las células. No existe ningún mecanismo para introducir una proteína arbitraria en su interior: cualquier proteína que pueda ser absorbida por las células debe hacerlo a través de algún mecanismo especializado.

Si quisiera reemplazar un alelo defectuoso para la distrofina, entonces, el enfoque más factible sería terapia de genes: conseguir que las propias células del paciente produzcan una copia funcional de la proteína. Los esfuerzos para reemplazar total o parcialmente la distrofina a través de la terapia génica son un área de investigación actual, pero todavía existen muchos desafíos para los enfoques de la terapia génica en general.


Referencias

Harper, S. Q., Hauser, M. A., DelloRusso, C., Duan, D., Crawford, R. W., Phelps, S. F.,… y Chamberlain, J. S. (2002). Flexibilidad modular de la distrofina: implicaciones para la terapia génica de la distrofia muscular de Duchenne. Medicina natural, 8 (3), 253.

McGreevy, J. W., Hakim, C. H., McIntosh, M. A. y Duan, D. (2015). Modelos animales de distrofia muscular de Duchenne: de los mecanismos básicos a la terapia génica. Modelos y mecanismos de enfermedades, 8 (3), 195-213.

Pichavant, C., Aartsma-Rus, A., Clemens, P. R., Davies, K. E., Dickson, G., Takeda, S. I.,… y Tremblay, J. P. (2011). Estado actual de los enfoques terapéuticos farmacéuticos y genéticos para tratar la DMD. Terapia molecular, 19 (5), 830-840.

Verhaart, I. E. y Aartsma-Rus, A. (2012). Terapia genética para la distrofia muscular de Duchenne. Opinión actual en neurología, 25 (5), 588-596.


Centrómero

Centrómeros artificiales o sintéticos

A finales de la década de 1990, los cromosomas artificiales humanos (HAC) se diseñaron por primera vez como una forma de diseccionar los elementos esenciales mínimos necesarios para el ensamblaje y la función del centrómero. Se llevaron a cabo dos estrategias de ingeniería. En el primero, un "enfoque ascendente", se introdujeron grandes construcciones de ADN que contenían al menos 30 kb de secuencias alfa-satélite como ADN desnudo mediante transfección mediada por liposomas en células humanas cultivadas. Estos constructos se integraron en brazos cromosómicos o, más comúnmente, se mantuvieron como cromosomas autónomos que ensamblaron proteínas centrómeras y formaron cinetocoros funcionales. En el segundo, "enfoque de arriba hacia abajo", los cromosomas humanos endógenos se truncaron secuencialmente para identificar unidades cromosómicas mínimas que se segregaban correctamente en la mitosis. Con base en la estabilidad del minicromosoma después del truncamiento, se determinó que el ADN satélite alfa y pequeñas porciones del pericentrómero flanqueante son suficientes para la función del centrómero y la estabilidad cromosómica.

En estudios más contemporáneos, los HAC han sido sistemas modelo únicos para dilucidar los entornos de cromatina que promueven o son compatibles con el ensamblaje y la función del centrómero. Los experimentos de unión de proteínas mostraron que los modificadores de cromatina específicos afectan profundamente la función del centrómero. La abolición de la transcripción por el agotamiento de los marcadores eucromáticos o por el reclutamiento de un represor transcripcional se correlaciona con la pérdida de la estabilidad de HAC y la incapacidad para cargar nuevos CENP-A. Además, el reclutamiento de un activador transcripcional también conduce a la pérdida de la estabilidad del HAC y a la interrupción de la función del centrómero. Estos estudios indican que un equilibrio de eucromatina y heterocromatina se mantiene estrictamente en el centrómero y enfatizan la fuerza de las tecnologías HAC en la disección y comprensión de la biología del centrómero. Con un mayor desarrollo, los HAC serán herramientas útiles para estudiar la expresión génica estable y construir vectores terapéuticos para la ingeniería genética o el tratamiento de enfermedades humanas.


Carne sintética: como la hamburguesa más cara del mundo llegó al plato

La hamburguesa más cara del mundo comenzó, hace unos tres meses, con vacas criadas en granjas orgánicas.

Sin embargo, había muy poco de pastoral tradicional en la forma en que se hizo: el proceso comenzó con la extracción de células madre de una biopsia de dos vacas, un belge azul blanco y un absitaine rubio.

El Dr. Mark Post y su equipo de la Universidad de Maastricht utilizaron estas células para cultivar 20.000 fibras musculares en pozos de cultivo individuales, cada uno de los cuales es un pequeño aro de proteína de color blanco grisáceo suspendido en un medio de crecimiento similar a un gel que contiene antibióticos y un suero extraído de fetos de vaca. .

Después de algunas semanas de crecimiento, cada aro de fibra se quitó a mano, se cortó y se enderezó. Luego, las fibras se presionaron juntas, se colorearon con jugo de remolacha y se mezclaron con azafrán, pan rallado y algunos ingredientes aglutinantes para formar la hamburguesa, biológicamente idéntica a la carne de res, pero cultivada en un laboratorio. El costo total del proyecto fue de 250.000 euros (215.000 libras esterlinas), financiado por el cofundador de Google Sergey Brin.

"Es realmente una prueba de concepto en este momento, estamos tratando de crear la primera hamburguesa de carne cultivada", dijo Brin en una película con motivo del evento de degustación en Londres el lunes. "A partir de ahí, soy optimista de que realmente podemos escalar a pasos agigantados".

Brin dijo que se había sentido impulsado a invertir en la tecnología por razones de bienestar animal. La gente tenía una imagen errónea de la producción de carne moderna, dijo, en términos de "granjas vírgenes" con solo unos pocos animales en ellas. "Cuando ves cómo se trata a estas vacas, ciertamente es algo con lo que no me siento cómodo".

El evento del lunes en Londres, en el que un chef cocinó y sirvió la hamburguesa sintética en público, fue la culminación de años de investigación realizada por Post con el objetivo de demostrar que este método de cultivo de proteínas podría algún día ser una alternativa viable para la carne de ganado.

"Las vacas son muy ineficientes: necesitan 100 g de proteína vegetal para producir sólo 15 g de proteína animal comestible", dijo Post a The Guardian antes del evento en Londres. "Así que necesitamos alimentar mucho a las vacas para que podamos alimentarnos nosotros mismos. Perdemos mucha comida de esa manera". Con carne cultivada, los científicos pueden hacer que la producción de carne sea más eficiente porque pueden mantener todas las variables bajo control. Tampoco necesitan sacrificar vacas.

El apetito humano por la carne significa que el 30% de la superficie utilizable de la Tierra está cubierta por pastizales para animales, en comparación con solo el 4% que se usa directamente para alimentar a los humanos. La biomasa total de nuestro ganado es casi el doble que la de las personas del planeta y representa el 5% de las emisiones de dióxido de carbono y el 40% de las emisiones de metano, un gas de efecto invernadero mucho más potente.

Para 2060, se prevé que la población humana aumente a 9.500 millones y, con una demanda creciente de carne de poblaciones en rápido desarrollo en, por ejemplo, China e India, se espera que el mercado de la carne se duplique para mediados de siglo. Si la cantidad de carne que producimos se duplica, el ganado podría ser responsable de la mitad del impacto climático que todos los automóviles, camiones y aviones del mundo. En 2008, el Dr. Rajendra Pachauri, presidente del panel intergubernamental de la ONU sobre el cambio climático, instó a las personas a tener un día sin carne a la semana para ayudar a frenar el cambio climático.

Los diferentes métodos de cultivo de carne en laboratorios tendrán diferentes impactos en el medio ambiente, y Post dijo que los primeros indicios eran que su carne de laboratorio redujo la necesidad de tierra y agua en un 90% y redujo el uso total de energía en un 70%.

La mejor manera de prevenir este daño ambiental, por supuesto, sería si se pudiera persuadir a todos para que comieran menos carne. Pero nadie piensa que eso sucederá: el deseo de comer carne está profundamente arraigado en nuestra evolución, según el primatólogo de la Universidad de Harvard, el profesor Richard Wrangham.

Argumenta que aprender a cocinar y comer carne fue una de las razones por las que los cerebros humanos pudieron crecer tanto como lo hicieron. La carne, una fuente densa de nutrientes y calorías, impulsaba el cerebro de nuestros antepasados ​​de una manera que sus competidores no podían igualar y ha tenido un impacto duradero en el gusto actual de nuestra especie por la carne.

"El hecho es que la gente tiene una tendencia muy fuerte a disfrutar la carne, lo que sin duda se debe a todas las ventajas que dio durante la evolución humana, incluido el acceso a micronutrientes raros, por ejemplo, sal, hierro, zinc, y una buena fuente de grasa. así como una gran cantidad de calorías ", dijo Wrangham.

"No podemos clasificar con precisión los diversos beneficios que brinda la carne, pero definitivamente podemos decir que los cazadores-recolectores de todo el mundo estaban muy deseosos de obtenerla".

La carne cultivada, dijo el profesor Wrangham, debe aceptarse solo por esta razón, porque a los humanos les gusta mucho la carne. "Es una cuestión práctica: la gente seguirá queriendo carne, y un sistema de producción de carne que reduzca los costos ambientales y éticos será un gran beneficio". Ese antiguo gusto por la carne proporcionaría un mercado dispuesto para los productos cultivados, dice el escritor y comentarista de alimentos Jay Rayner, cuando la tecnología se pueda perfeccionar. "Lo que verás [eventualmente] es una separación. Por un lado, tendrás tus cortes principales, serán carnes para ocasiones especiales; si quieres un bistec, un porro o un pollo entero, obtendrás esas cosas, pero con menos frecuencia de lo que lo hace ahora. Pero si desea que la proteína animal haga, tal vez, una hamburguesa barata o una lasaña o algo así, entonces buscará alternativas, que pueden ser carne in vitro o tal vez ser proteína de insecto ".

La carne de granja tradicional ya es muy cara, agrega Rayner, y solo lo será más, y es solo cuestión de tiempo antes de que el público comience a adoptar alternativas.

Hay muchos obstáculos antes de que Post pueda ampliar su proceso para la fabricación a gran escala (el cultivo celular no es barato) pero tiene grandes esperanzas. "Dentro de veinte años, si en el supermercado puede elegir entre dos productos que son idénticos y tienen el mismo sabor y sensación y tienen el mismo precio, y uno se fabrica de manera respetuosa con el medio ambiente, con muchos menos recursos y proporciona alimentos seguridad para la población y no tiene ninguna connotación de bienestar animal; la elección será relativamente fácil ", dijo. "La gente empezará a preferir este tipo de producto y luego transformará gradualmente la producción de carne".

La primera hamburguesa que ha hecho es relativamente simple, pura proteína. Puede ser lo suficientemente bueno como prueba de concepto, pero está lejos de ser un reemplazo perfecto para la carne. Para empezar, no tiene grasa ni sangre, que es de donde proviene gran parte del sabor de la carne.

Lo siguiente en la agenda, por lo tanto, para el equipo de Post es agregar células grasas cultivadas en laboratorio a la proteína, y quizás incluso células óseas para aquellos que quieren un filete de T-bone completamente cultivado en laboratorio. "La tecnología ahora se limita a piezas pequeñas porque es necesario introducir oxígeno y nutrientes en el tejido para mantenerlo vivo", dijo. "Para piezas más grandes, necesitamos desarrollar diferentes tecnologías que se han descrito en el campo médico, pero que aún no se han aplicado a la producción de carne". Eso significa construir algo parecido a vasos sanguíneos en la carne, lo que podría proporcionar líquido, oxígeno y nutrientes al centro del tejido a medida que crece.

Post reconoce que será esencial producir un producto que se vea y sepa exactamente igual que la carne real. Y si descubren que hay un mercado para la carne de res cultivada, los mismos métodos podrían usarse para cultivar otras proteínas como pollo, cordero, pescado o cerdo en el laboratorio.

Los críticos pueden argumentar que realizar un evento público para exhibir el trabajo en lugar de presentar los resultados en una revista revisada por pares podría alienar a los colegas científicos, que se mostrarán escépticos sobre el trabajo. La respuesta de Post es que la mayoría de los métodos que está utilizando, que implican la ingeniería y el crecimiento de un gran número de células madre de vaca, ya se han publicado en revistas. Su hamburguesa, dijo, fue más el resultado de la fuerza bruta para cultivar más material que cualquier otra persona hasta ahora. "Desde el punto de vista tecnológico, aquí hay muy pocos secretos", dijo.

Cualquier carne cultivada para la venta al público también debería ser probada como segura. La Agencia de Normas Alimentarias dijo que "cualquier alimento nuevo, o alimento producido mediante un proceso de producción novedoso, debe someterse a una evaluación de seguridad estricta e independiente antes de ser comercializado". La FSA dijo que hasta la fecha no se habían presentado solicitudes de este tipo.

En el frente del bienestar, Julian Savulescu, profesor de ética práctica en la Universidad de Oxford, dijo que la carne cultivada en laboratorio tiene una puntuación alta. "La carne artificial detiene la crueldad hacia los animales, es mejor para el medio ambiente, podría ser más segura y eficiente, e incluso más saludable. Tenemos la obligación moral de apoyar este tipo de investigación. Obtiene el visto bueno ético".

Brin dijo que estaba interesado en invertir en tecnologías que estaban "en la cúspide de la viabilidad. Si tiene éxito allí, puede ser realmente transformador para el mundo".

Reconoció que algunas personas probablemente pensarían que la carne sintética es ciencia ficción. "De hecho, creo que eso es algo bueno. Si algunas personas no ven lo que estás haciendo como ciencia ficción, probablemente no sea lo suficientemente transformador".


La edición principal y básica son "bisturís más finos" en la distrofia

Las nuevas técnicas de edición del genoma han abierto la cantidad de mutaciones potenciales que podrían abordarse en el trastorno hereditario de desgaste muscular de la distrofia muscular de Duchenne (DMD), al tiempo que reducen la probabilidad de inducir efectos no deseados.

Un estudio de prueba de concepto publicado en la edición del 30 de abril de 2021 de Ciencias Avances describe el uso de la edición básica y la edición principal, que pueden realizar ediciones más específicas que CRISPR-Cas9, para anular la deleción del exón 51 en el gen de la distrofina.

Se demostró que eso restaura la producción de distrofina en el 96,5% de las fibras musculares en ratones transgénicos que portaban la mutación DMD, y en cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidos de pacientes con DMD, in vitro.

La investigación es la primera en demostrar que la edición de primos y bases se puede utilizar para aumentar la expresión de una proteína funcional. Como tal, también es prometedor para otros trastornos hereditarios raros causados ​​por la producción defectuosa o inadecuada de una proteína esencial.

Los enfoques actuales para la omisión de exón en el gen DMD requieren una construcción específica para cada exón. El uso de la edición base y principal anulará este requisito, según Eric Olson, profesor de biología molecular en el Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas, quien dirigió la investigación.

"Se han identificado miles de mutaciones diferentes que causan DMD, pero tienden a agruparse en ciertas partes del gen de la distrofina", dijo Olson. "El poder de nuestro método es que no necesita una nueva estrategia de edición de genes para cada paciente con una nueva mutación, puede corregir múltiples mutaciones diferentes con un enfoque consolidado".

Olson informó anteriormente el uso de CRISPR-Cas9 para corregir la deleción del exón 51, la mutación más común en el gen DMD, que causa alrededor del 13% de los casos del trastorno. Con base en esta investigación, Olson fundó Exonics Therapeutics de Boston, Massachusetts, para aplicar la edición del gen CRISPR-Cas9 en el tratamiento de la DMD. La compañía fue adquirida por Vertex Pharmaceuticals en 2019 por USD 245 millones por adelantado e hitos de USD 1 mil millones. Vertex está trabajando en múltiples construcciones CRISPR-Cas9 preclínicas diferentes para abordar las muchas mutaciones que causan DMD.

Aunque CRISPR-Cas9 es una forma más sencilla de inducir el salto de exón o restaurar el marco de lectura abierto, implica un corte de ADN de doble hebra. Eso crea la posibilidad de generar deleciones o reordenamientos cromosómicos más grandes, que podrían ser dañinos.

En esta última investigación, Olson y sus colegas describen el uso de un editor de base de adenina fusionado con una nickasa Cas9 para modificar con precisión un sitio de empalme del exón 50 del gen DMD, convirtiendo una adenina en guanina. Eso restauró la expresión de distrofina al omitir el exón 50, permitiendo que el exón 49 se empalme con el exón 52.

Los investigadores también ejemplifican el uso de un editor principal en el que nCas9 se fusionó con una transcriptasa inversa para insertar con precisión dos nucleótidos en el exón 52, restaurando el marco de lectura abierto y permitiendo que el gen de la distrofina se traduzca, generando una proteína funcional.

La deleción del exón 51 evita la producción de 78 aminoácidos del dominio de barra central que forma la mayor parte de la masa de una molécula de distrofina. Sin embargo, el exón 50 codifica solo 36 aminoácidos en el bastón central y, como resultado, la proteína distrofina generada al empalmar el exón 49 al exón 52 contiene el 97% de los 3685 aminoácidos que se encuentran en la molécula de longitud completa, y se espera que sea altamente funcional.

"Nuestros hallazgos demuestran la efectividad de la edición de nucleótidos para la corrección de diversas mutaciones de DMD con una mínima modificación del genoma", escribieron los investigadores.

"Este método hace posible corregir grandes deleciones en el gen DMD intercambiando específicamente [un solo nucleótido]", dijo Olson. "Ese nivel de especificidad y eficiencia es notable".

"Un bisturí más fino"

La edición base o principal es esencialmente "un bisturí más fino", dijo Francesco Muntoni, codirector del centro de enfermedades neuromusculares del University College London, uno de los principales expertos en DMD, quien dirigió el desarrollo clínico de oligonucleótidos antisentido como parches moleculares para anula los exones faltantes en el gen DMD. Olson ha producido "resultados atractivos" que "demuestran la eficiencia de las dos técnicas diferentes", dijo Muntoni, al comentar la investigación.

Para evaluar la especificidad de la edición de nucleótidos, Olson et al seleccionaron la edición fuera del objetivo en 8 sitios que se predice que tienen el potencial de verse afectados. El análisis de la secuencia del genoma no reveló ninguna edición notable en ninguno de estos sitios.

Los investigadores razonaron que, si bien los editores de nucleótidos pueden editar todos los pares de bases dentro de una ventana definida, estas ediciones de espectadores ocurren en intrones no codificadores o en el exón que se omitirá, lo que significa que no afectan la transcripción final.

Las ventajas de una mayor precisión se ven atenuadas por el tamaño de las construcciones de edición de nucleótidos, que son demasiado grandes para caber en un solo vector viral adenoasociado. Para superar esto, los investigadores utilizaron un sistema que permite que los fragmentos de proteínas fabricados por vectores separados se unan dentro de la célula.

Aunque esa estrategia tuvo éxito, implicó el uso de una cantidad de AAV9 que es demasiado alta para extrapolarla de la administración intramuscular en ratones a la administración sistémica en humanos, como reconocen los investigadores. "Se necesitarán métodos de administración mejorados antes de que estas estrategias puedan usarse para editar suficientemente el genoma en pacientes con DMD", dijeron.


& # x27Impresionante & # x27 hazaña

Syn61 resulta no ser tan vigoroso como su natural E. coli primo - crece aproximadamente un 60% más lento. Aunque eso podría sugerir que puede haber algo fundamentalmente importante sobre la ortografía alternativa en el código genético, Julius Fredens cree que han identificado problemas más pequeños en Syn61, que deberían corregirse fácilmente para restaurar completamente la salud del organismo.

Tom Ellis está impresionado de que la bacteria funcione en absoluto y dice: "Estos 18.000 cambios significan que todos los genes del cromosoma habrán sido alterados y, sin embargo, ¡siguen vivos!"

Un efecto de la recodificación es que separa a Syn61 de todas las demás formas de vida. Hasta ahora, los organismos han podido intercambiar genes, a menudo a través de virus, porque todos comparten el mismo lenguaje básico. Ahora, un virus que intente infectar a Syn61 encontrará que la célula huésped carece de las herramientas para traducir el ADN viral, el intento fallaría.

George Church llama a esto el "suspenso". En un intento anterior en su laboratorio, con un conjunto más limitado de ediciones, uno de cada cinco virus logró replicarse.

"El éxito de Chin & # x27s animará al resto de nosotros a trabajar para hacer que muchos organismos (microbios industriales, plantas, animales y células humanas) sean resistentes a todos los virus mediante este enfoque de recodificación", escribió Church en un correo electrónico.

Chin dice que la prueba aún no se ha probado con Syn61, pero es una de las primeras en su lista de tareas pendientes.

Pero el gran plan de Chin & # x27 es hacer que la bioquímica sea más diversa.

Con solo 61 de los 64 codones posibles de Syn61 & # x27s tomados como instrucciones para aminoácidos naturales (de ahí el nombre), eso deja tres que ahora pueden reasignarse a otros no naturales que podrían introducir una química completamente nueva en la célula.

Chin ha sido pionero en este tipo de biología sintética al introducir elementos que hacen que las proteínas brillen o respondan a la luz al activarse o apagarse.

Fredens calcula que ya puede haber 200 bloques de construcción no naturales que podrían incorporarse a la química de las proteínas de esta manera, y que estos funcionarían con las técnicas ya desarrolladas en LMB y en otros lugares.

"Es bastante alucinante que se pueda expandir el alfabeto genético de esta manera", admite Fredens. "Creo que estamos muy lejos de darnos cuenta de cuánto podemos hacer con él, produciendo cosas que nunca antes habíamos visto".

El enfoque de Chin & # x27 está en gran medida en lo que las oportunidades harán para la ciencia, hablando de proteínas alternativas que espiarán el funcionamiento interno de las células o ayudarán a las compañías farmacéuticas a fabricar mejores medicamentos. Pero las posibilidades son infinitas. Tom Ellis especula sobre la idea de conectar ganchos moleculares en proteínas que les permitirían hacer clic entre sí para crear vastas redes moleculares en materiales inteligentes.

Puede parecer un mundo molecular nuevo y valiente, pero Chin dice que no debería dar miedo.

"La gente tiene preocupaciones legítimas", acepta. "Hay un doble uso para todo lo que inventamos. Pero lo que es importante es que tengamos un debate sobre lo que deberíamos y no deberíamos hacer. Y que estos experimentos se hagan de forma bien controlada. & Quot;


¿Podría sintetizarse artificialmente la proteína distrofina? - biología

BASF insertó un gen en una planta de maíz que la hace más resistente a la sequía. Foto: BASF

La mayor parte de la ciencia ambiental se centra en cómo hacer retroceder el reloj, no adelantarlo, dice Ben Bostick, geoquímico del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty. "Pensamos en cómo podemos hacer retroceder nuestra huella, y no tanto en cómo podemos hacer que nuestra huella sea más grande de una manera positiva", dijo. “Pero hay muchos ejemplos de biología sintética que creo que en realidad tienen mucho potencial en el medio ambiente. Piense en cómo podemos ayudar a nuestro medio ambiente simplemente haciendo cosas como mejorar los materiales que fabricamos usando biología sintética ".

La biología sintética (synbio) es la construcción de componentes biológicos, como enzimas y células, o funciones y organismos que no existen en la naturaleza, o su rediseño para realizar nuevas funciones. Los biólogos sintéticos identifican secuencias de genes que dan a los organismos ciertos rasgos, las crean químicamente en un laboratorio y luego las insertan en otros microorganismos, como E. coli, para que produzcan las proteínas, características o funciones deseadas.

Desde 2011, cuando escribí una introducción general a synbio, el campo ha crecido rápidamente.

Una razón de esto es el desarrollo de la herramienta de edición de genes CRISPR-Cas9, utilizada por primera vez en 2013, que localiza, corta y reemplaza el ADN en ubicaciones específicas. Otra razón es lo fácil que se ha vuelto usar el Registro de Partes Biológicas Estándar, que cataloga más de 20,000 partes genéticas o BioBricks que se pueden pedir y usar para crear nuevos organismos o sistemas sintéticos.

En 2018, los inversores invirtieron 3.800 millones de dólares y los gobiernos de todo el mundo invirtieron 50 millones de dólares en empresas synbio. Para 2022, se prevé que el mercado mundial de aplicaciones synbio sea de 13.900 millones de dólares. Pero la biología sintética sigue siendo controvertida porque implica alterar la naturaleza y su potencial y riesgos no se comprenden completamente.

Bostick, quien trabaja para remediar la contaminación por arsénico de las aguas subterráneas estimulando las bacterias naturales para que produzcan sustancias a las que se adhiere el arsénico, explicó que, de hecho, toda la comunidad biológica que trabaja con organismos altera los sistemas biológicos todo el tiempo, pero no cambia el material genético. u organismos. Los científicos eliminan enzimas, insertan nuevas y cambian diferentes cosas para comprender el mundo natural. "Esas son técnicas estándar ahora, pero se hacen de manera mecánica", dijo. “Si quieres ver cómo funciona una proteína, ¿qué haces? De hecho, lo cambia, así es exactamente como hemos estudiado nuestro entorno. Son sintéticos y son alteraciones biológicas, pero simplemente no se hacen con el propósito que define la biología sintética ". Synbio es más controvertido porque su propósito es construir sistemas biológicos artificiales que aún no existen en el mundo natural.

Sin embargo, la biología sintética está produciendo algunas posibles soluciones a nuestros problemas ambientales más intratables. Aquí hay unos ejemplos.

Lidiando con la contaminación

Los microbios se han utilizado para detectar, identificar y cuantificar contaminantes ambientales durante décadas. Ahora, los biosensores microbianos sintetizados pueden apuntar a toxinas específicas como arsénico, cadmio, mercurio, nitrógeno, amonio, nitrato, fósforo y metales pesados, y responden de diversas formas. Pueden diseñarse para generar una señal electroquímica, térmica, acústica o bioluminiscente cuando se encuentran con el contaminante designado.

CRISPR se utilizó para dar a las moscas de la fruta ojos rojos fluorescentes. Foto: NICHD

Algunos microbios pueden descontaminar el suelo o el agua de forma natural. Sintetizar ciertas proteínas y transferirlas a estas bacterias puede mejorar su capacidad para unirse o degradar metales pesados ​​o radionúclidos. A una bacteria del suelo se le dieron nuevos circuitos reguladores que la dirigen a consumir químicos industriales como alimento. Los investigadores en Escocia están diseñando bacterias para convertir metales pesados ​​en nanopartículas metálicas, que se utilizan en la medicina, la industria y los combustibles.

CustoMem en el Reino Unido utiliza biología sintética para crear un material granular que atrae y se adhiere a microcontaminantes como pesticidas, productos farmacéuticos y ciertos productos químicos en las aguas residuales. Y los investigadores australianos están intentando crear una estructura multicelular a la que llaman "medusa sintética" que podría liberarse después de un derrame tóxico para descomponer los contaminantes.

Preservando la biodiversidad

Los científicos están utilizando biología sintética para hacer que los castaños americanos sean más resistentes a un hongo mortal. Foto: Joe Blowe

Los castaños americanos dominaron la costa este de los EE. UU. Hasta 1876, cuando un hongo transportado por semillas de castaño importadas los devastó, dejando menos del uno por ciento en 1950. Para hacer árboles resistentes al tizón, los científicos han insertado un gen de trigo en embriones de castaño, lo que permite ellos para producir una enzima que desintoxica el hongo. Es probable que este castaño se convierta en el primer organismo genéticamente modificado que se libere en la naturaleza una vez que sea aprobado por el Departamento de Agricultura, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA).

Revive & amp Restore, una organización que utiliza técnicas genéticas para preservar la biodiversidad, está intentando rescatar al hurón de patas negras en peligro de extinción, que es susceptible a la peste selvática. Debido a que el hurón doméstico no lo es, los científicos están estudiando la posibilidad de encontrar los genes que le dan resistencia al hurón doméstico y editarlos en el genoma del hurón de patas negras. La investigación comenzará con cultivos celulares en el laboratorio.

Impulsores genéticos son mecanismos que propagan un rasgo genético deseado a través de una población para controlar las especies invasoras. Recientemente se consideró un impulso genético para controlar el mejillón dorado, que ha invadido las aguas de América del Sur y América Latina. Después de identificar los genes relacionados con la reproducción y la infertilidad en los mejillones dorados, los científicos propusieron usar CRISPR-Cas9 para editar el genoma del mejillón y hacer que las hembras fueran infértiles. Los mejillones genéticamente modificados luego se criarían con mejillones silvestres en el laboratorio, creando embriones modificados que podrían liberarse en la naturaleza para propagar la infertilidad en toda la población. Un impulso genético para eliminar los mosquitos que transmiten la malaria ha funcionado en el laboratorio, pero todavía no se ha probado ningún impulso genético en el campo.

Esta costra del suelo contiene cianobacterias, algas, hongos y líquenes. Foto: brew books

Algunos científicos también están trabajando para modificar los genomas de los corales para darles más resistencia al calentamiento de las temperaturas oceánicas, la contaminación y la acidificación de los océanos. Otros han propuesto modificar los genes de las cianobacterias que afectan la humedad en la corteza del suelo de ecosistemas semidesérticos para que el suelo retenga más agua y pueda crecer más vegetación.

Alimentando al mundo

Dado que se espera que la población mundial alcance los 10 mil millones para 2050, la demanda mundial de alimentos podría aumentar entre un 59 y un 98 por ciento. Los impactos del cambio climático — temperaturas más altas, clima extremo, sequía, niveles crecientes de dióxido de carbono y aumento del nivel del mar — están poniendo en peligro la cantidad y calidad de nuestros suministros de alimentos.

Investigadores de la Universidad de California en San Diego descubrieron que cuando las plantas se encuentran en condiciones secas, liberan una hormona que cierra los poros de la planta para retener el agua, ralentiza su crecimiento y mantiene las semillas inactivas. Sin embargo, esa hormona es costosa de sintetizar, por lo que los científicos trabajaron con receptores desarrollados sintéticamente en plantas de tomate que respondieron de una manera similar de conservación de agua a un fungicida de uso común, haciendo que las plantas sean más resistentes a la sequía.

Los científicos del Instituto Salk han identificado los genes que estimulan al sistema de raíces de una planta a crecer más profundamente en el suelo. Planean diseñar vías genéticas para impulsar raíces más profundas, lo que permitirá a las plantas de cultivo resistir el estrés, secuestrar más carbono y enriquecer el suelo.

Los microbios que viven con las legumbres les dan la capacidad de convertir el nitrógeno de la atmósfera en nutrientes que la planta necesita para crecer. Sin embargo, debido a que otras plantas no pueden asimilar el nitrógeno de forma natural, los agricultores han utilizado tradicionalmente fertilizantes químicos. La producción de fertilizantes, principalmente a partir de combustibles fósiles, genera emisiones de gases de efecto invernadero y eutrofización. Como alternativa, Pivot Bio, una empresa de California, diseñó los genes de un microbio que vive en las raíces de las plantas de maíz, trigo y arroz para permitir que el microbio extraiga nitrógeno del aire y lo alimente a una planta a cambio de nutrientes. . In field tests, its nitrogen-producing microbe for corn yielded 7.7 bushels per acre more than chemically fertilized fields.

Agriculture, including raising livestock, is responsible for about 8 percent of U.S. greenhouse gas emissions. Genetically modified microbes are being used to produce food that is more sustainable, ethical and potentially healthier. Motif Ingredients is developing alternative protein ingredients without animal agriculture. It uses engineered microbes to produce food proteins that can be tailored to mimic flavors or textures similar to those found in beef and dairy.

The Impossible Burger. Photo: Dale Cruse

Impossible Foods’ plant-based burger contains synthesized heme, the iron-containing molecule found in animals and plants that gives meat its bloody flavor. To make it, scientists added a plant gene to yeast, which, after fermentation, produced large quantities of the heme protein. Impossible Burger uses 75 percent less water and 95 percent less land than a regular beef burger, and produces 87 percent fewer greenhouse gas emissions.

As the demand for seafood grows globally (fishing stocks are already 90 percent overfished), so does the need for fishmeal, the protein pellets made of ground up small fish and grain that feed farmed fish as well as livestock. California-based NovoNutrients uses CO2 from industrial emissions to feed lab-created bacteria, which then produce protein similar to the amino acids fish get by eating smaller fish the bacteria replace the fishmeal, providing the fish with protein and other nutrients.

Creating greener products

Burning fossil fuels for energy accounted for 94 percent of total U.S. anthropogenic CO2 emissions in 2016, so a lot of research is aimed at creating better biofuels that don’t compete with food production, soil nutrients or space. The latest generation of biofuels focuses on engineered microalgae, which have high fat and carbohydrate content, grow rapidly and are relatively robust. Altering their metabolic pathways enables them to photosynthesize more efficiently, produce more oil, absorb more carbon, and be hardier so that their numbers can be scaled up.

The National Renewable Energy Lab is studying microalgae for biofuels
Photo: DOE

LanzaTech in Illinois identified an organism that naturally makes ethanol from industrial waste gases. After the company engineered it with “pathways” from other organisms to improve its performance, the organism is able to produce unique molecules for valuable chemicals and fuels. LanzaTech’s first commercial plant in China has produced over seven million gallons of ethanol from steel mill emissions that can be converted into jet fuel and other products.

165 million tons of plastic have trashed the oceans, with almost 9 million more tons being added each year. Synbio could provide a solution to this pollution problem, both by degrading plastic and replacing it.

In 2016, researchers in Japan identified two enzymes in a bacterium that enable it to feed on and degrade PET plastic, the kind used for water bottles and food containers. Since then, researchers around the world have been analyzing how the enzymes break down the plastic and trying to improve their ability to do so.

California-based Newlight Technologies is using a specially developed microorganism-based biocatalyst (similar to an enzyme) to turn waste gas captured from air into a bioplastic. The biocatalyst pulls carbon out of methane or carbon dioxide from farms, water treatment plants, landfills, or energy facilities, then combines it with hydrogen and oxygen to synthesize a biopolymer material. The biopolymer, called AirCarbon, can replace plastic in furniture and packaging.

Lignin is a key component of plants that, like other types of biomass, could be used for renewable fuels and chemicals. Since very few bacteria and fungi can break it down naturally, scientists have been trying for years to develop an efficient way of doing so. Now some have engineered a naturally occurring enzyme to break it down, which could eventually make it possible to use lignin for nylon, bioplastics and even carbon fiber.

The manufacturing of complex electronic devices requires toxic, rare, and non-renewable substances, and generates over 50 million tons of e-waste each year. Simon Vecchioni, who recently defended his PhD in biomedical engineering at Columbia University, is using synthetic biology to produce DNA nanowires and networks as an alternative to silicon device technology.

Vecchioni ordered synthesized DNA from a company, used it to create his own custom BioBrick—a circular piece of DNA—and inserted it into the bacterium E. coli, which created copies of the DNA. He then cut out a part of the DNA and inserted a silver ion into it, turning the DNA into a conductor of electricity. His next challenge is to turn the DNA nanowires into a network. The DNA nanowires may one day replace wires made of valuable metals such as gold, silver (which Vecchioni only uses at the atomic scale), platinum and iridium, and their ability to “self-assemble” could eliminate the use of the toxic processing chemicals used to etch silicon.

“A technology for fabricating nanoscale electrical circuits could transform the electronics industry. Bacteria are microscale factories, and DNA is a biodegradeable material,” he said. “If we are successful, we can hope to produce clean, cheap, renewable electronics for consumer use.”

The production of cement (a key ingredient of concrete) is responsible for about eight percent of global greenhouse gas emissions because of the energy needed to mine, transport and prepare the raw materials. bioMASON in North Carolina provides an alternative by placing sand in molds and injecting it with bacteria, which are then fed calcium ions in water. The ions create a calcium carbonate shell with the bacteria’s cell walls, causing the particles to stick together. A brick grows in three to five days. bioMASON’s bricks can be customized to glow in the dark, absorb pollution, or change color when wet.

Dressing more sustainably

Fast fashion has a disastrous impact on the environment because of its dyes and fabric finishes, fossil fuel use and microfiber pollution. About three-fourths of the water used for dyeing ends up as toxic wastewater, and over 60 percent of textiles are made from polyester and other fossil fuel-based fibers that shed microfibers when washed, polluting our waters.

Textile mill in Bangladesh Photo: NYU Stern BHR

French company Pili synthesizes enzymes that can be tailored to produce different colors, then integrates them into bacteria. The bacteria are then able to create pigments. Pili’s dye is produced without petroleum products or chemicals, and uses one-fifth the water of regular dyes.

Spider silk, considered one of nature’s strongest materials, is elastic, durable and soft. Bolt Threads, based in San Francisco, studied spider DNA to figure out what gives spider silk its special characteristics, then engineered genes accordingly and put them into yeast, which, after fermentation, produce large quantities of liquid silk proteins. The silk protein is then spun into fibers, which can be made into renewable Microsilk.

The risks of synbio

In the U.S., synbio chemicals and pharmaceuticals are mainly regulated by the Toxic Substances Control Act of 1976. Other synbio commercial products and applications are regulated by the EPA, Department of Agriculture, and the FDA. But do these agencies have the capacity and effectiveness to monitor synthetic biology as fast as it’s developing and changing?

As some syn bio applications are starting to move out of the lab, there are worries about its potential environmental risks. If an engineered organism, such as those used in gene drives, is released into nature, could it prove more successful than existing species in an ecosystem and spread unchecked?

Bostick noted that each synthetic biology project today is usually focused on one very specific modification. “It’s adding or altering a single enzyme, possibly putting in a series of enzymes so that it can do one thing,” he said. “Very seldom do you tweak the rest of the organism, so it’s not critical to the success of the organism and it’s not likely to run rampant. From a scientific standpoint, it’s hard to change more than one thing.”

Moreover, according to Vecchioni, most synbio research is being done by student groups through iGEM’s International Genetically Engineered Machine Competition, and every iGEM project must have a safety component—some way to turn off the gene or regulate it if it gets out.

Another concern is that the creation or modification of organisms could be used to create a disease for the purpose of bioterrorism. Vecchioni explained that the FBI is on the lookout for this. “They walk in nicely and say ‘hi, we’re watching,’” he said. “They also go to conferences and just make sure people are being smart about it.” He added that DNA synthesis companies are also on alert. “They have a library of known dangerous pieces of DNA, so if you try to order something that is known to create disease in any organism, the FBI will come knocking on your door.”

A more recent concern is that research institutes have begun setting up biofoundries, facilities that rely heavily on automation and artificial intelligence (AI) to enhance and accelerate their biotechnology capabilities. Jim Thomas, co-executive director of the ETC Group, which monitors emerging technologies, is concerned about the tens of thousands of organisms that AI is being used to create. “It raises a real safety question because if you have something go wrong, you potentially don’t understand why it went wrong,” said Thomas. “With AI it’s a bit of a black box.” He noted that most experts agree that there has to be a process for monitoring and assessing new developments in synbio.

Despite the potential risks of synbio, its potential benefits for the planet are huge. And as our environment is battered by the impacts of climate change and human activity, we need to explore all options. “We need every possible solution to even remotely get to the magnitude of change that we need to improve our world,” said Bostick.


Our top synthetic biology articles of 2020

Synthetic biology is among the most hyped and exciting research areas this century, and 2020 saw SynBio turn 20 years old. Whilst the early years saw some impressive research and visionary thinking, the field is now living up to its hype and delivering revolutionary solutions and landmark innovations. It is now driving multibillion dollar industries, and is transforming healthcare – providing a new generation of therapies and treatments.

So what inspiring research did 2020 bring?

Here are our top 5 most read articles of this year!

Number 5: CRISPR gene editing relieves Duchene muscular dystrophy symptoms

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a genetic disorder characterised by progressive muscle degeneration and weakness due to the alterations of a protein, dystrophin, that helps keep muscle cells intact.

In January we reported that scientists had developed a CRISPR-based gene therapy that may provide permanent relief for those suffering from DMD. The researchers from Munich, Germany, used somatic CRISPR gene editing in living pigs to restore the DMD reading frame, resulting in expression of a shortened but largely functional dystrophin protein.

Number 4: Creating new ‘super’ base editors with enhanced accuracy

Base editors (BEs) are potent tools for precise genome editing, and can be used to correct single disease-causing mutations. Cytosine base editors (CBEs) enable efficient cytidine-to-thymidine (C-to-T) substitutions at targeted loci, and do so without creating a double-stranded break. However, they can lack precision and ‘bystander’ Cs lying adjacent to the ‘target’ C can also edited.

In July, scientists engineered new CBEs that could precisely modify a single targeted C, whilst minimising the editing of bystanders, increasing the accuracy of base edits in disease sequence models up to 6,000-fold compared with the then existing base editors.

Number 3: CRISPR discovery gives hope for universal cancer therapies

The latest, most innovative wave of immunotherapies to reach the clinic are undergoing a revolution of personalisation and at the heart of these lies CAR-T cell therapy. However, providing individualised medicines is time-consuming and expensive, and to date they are able to target only a few (non-solid) cancers.

In January, we announced that scientists had exploited CRISPRs to discover T-cells equipped with a new type of T-cell receptor (TCR) which recognises and kills most human cancer types, leading to the hope of a single go-to cancer treatment.

Number 2: Tackling antibiotic resistance with CRISPR-Cas13a

At least 700,000 people die each year due to drug-resistant diseases and it is estimated by 2050 that such diseases could cause 10 million deaths per year. International organisations are therefore united in a demand for urgent action against such a devastating crisis and are calling for investment into research and development for new technologies to combat antimicrobial resistance.

Back in June scientists reported the development of a series of CRISPR-Cas13a-based antibacterial nucleocapsids for use as therapeutic agents against antimicrobial-resistant bacteria.

Number 1: A new bionic eye gives hope

The growing prevalence of ophthalmic diseases and severe eye injuries has increased the demand for artificial eyes globally. However, current prosthetic eyes cannot restore vision.

We reported in May that scientists had created a biomimetic, electrochemical eye which has image-sensing functionality. The eye consisted of a metal shell at the front, an artificial retina at the back and an ionic liquid interior: dubbed EC-EYE – short for ‘ElectroChemical EYE’.

This research really caught our readers attention and it has stormed to the top of our most read articles!


Cells with lab-made DNA produce a new kind of protein, a ‘holy grail’ for synthetic biology

Scientists in San Diego have achieved a major goal in the effort to craft artificial organisms: A microbe whose genetic material included some lab-made instructions was able to live, reproduce and synthesize proteins that included molecules never before used by life.

The development, described Wednesday in a paper in the journal Nature, is a step toward a world in which scientists can engineer organisms capable of producing highly specialized proteins that may be used to improve medicines, construct new materials and perhaps even change the functions of cells.

“It's wave front stuff this is the edge of science,” said Andrew Ellington, a biochemist at the University of Texas at Austin who was not involved in the research. “W e are better learning how to engineer living systems.”

For 4 billion years, the story of life on Earth has been written using a limited molecular alphabet. The rungs of DNA's twisting ladder are built from just four base units — adenine, which links with thymine, and cytosine, which pairs with guanine. These four “letters” — A, T, C and G — define the form and function of every organism on Earth, from a bacterium to an elephant, from photosynthesis to camouflage.

When those genetic instructions are transcribed and translated by cellular machinery, they enable the production of proteins — life's workhorses, which catalyze reactions, transmit signals, and make up tissues like cartilage and shells. The building blocks of proteins, called amino acids, are only slightly more varied than those of DNA just 20 amino acids are used to synthesize the proteins needed for all life's functions.

In 2014, the San Diego scientists, led by chemist Floyd Romesberg of the Scripps Research Institute, rewrote the genetic material for a strain of E. coli to include a new pair of bases, dubbed dNaM and dTPT3 but informally known as X and Y. Though the resulting microbe population wasn't stable (they usually lost their X and Y bases after a few days) these were the first organisms in the history of life to include a new base pair in their DNA.

It was an entirely new kind of genetic engineering. Other gene editors tweak organisms' DNA using already-existing materials, like Shakespeare coming up with new idioms. But Romesberg and his colleagues were writing genetic instructions with molecules life had never seen before — the biological equivalent of Tolkien inventing Elvish.

In their latest experiment, Romesberg's team used that expanded genetic alphabet to instruct the cells to synthesize proteins from “noncanonical” amino acids — hundreds of molecules that can be found in nature or the lab but are not naturally used by organisms. The semi-synthetic cells were able to produce artificial proteins almost as efficiently as their unmodified parents.

“This last step of adding an unnatural base pair to add an unnatural amino acid into a protein is sort of the holy grail of what we’ve been trying to do the whole time,” said Yorke Zhang, a graduate student in Romesberg's lab who designed, performed and analyzed the experiment.

For decades, scientists have sought to add noncanonical amino acids to proteins in the hope of making these biological workhorses even more powerful. But they had a problem. Translation of genetic material into a protein product, which is carried out by RNA molecules, depends on three-letter sequences called “codons.” Each codon corresponds to a particular amino acid, so when the cell's machinery reads that sequence, it knows exactly which piece of protein to grab. Yet, with the existing genetic alphabet, all 64 possible codon combinations are already associated with a specific task. If researchers wanted the cell to perform a new function, they had no unique way to convey the demand.

Some scientists have tried to get around this obstacle by reprogramming one of the cell's “stop” codons — which carry instructions to halt the protein production process — to instead be associated with a new amino acid.

But Romesberg and his colleagues had grander ambitions. By adding just two new base units to a cell's genetic instructions, they would generate dozens of new codon possibilities — “more than we could possibly use” for any practical purposes, Romesberg said.

After testing hundreds of possible base pairs, they landed on dNaM and dTPT3. Not only were these units utterly foreign to life on Earth, they were chemically linked by a completely different bond than the one that connects A to T and G to C.

In an interview this week, astrobiologist Steve Benner, who led the first team to develop an artificial base pair nearly 30 years ago, expressed doubt that DNA could be fully functional with this unusual base pair bond. He suggested that the natural base pairs in Romesberg's E. coli might be “flanking” the lab-made ones — holding up the double helix despite the unnatural and uncomfortable insertions. The DNA was effectively damaged, he said, and the fact that the cells didn't die is just a testament to life's resiliency.

Romesberg disagreed, pointing out that the engineered cells in his latest experiment successfully used X and Y genetic material and a noncanonical amino acid to produce large amounts of glowing green protein without much loss of efficiency.

“In some sense the proof is in the pudding,” he said. The experiment worked, which would indicate that the synthetic DNA works, too.

Because the microbes themselves can't produce the X and Y bases or the alien amino acid, the scientists had to continually “feed” these molecules into the cells. This is a feature, not a bug, Romesberg said. For one thing, it ensures that any microbe that escaped the lab would swiftly die — allaying fears of a Jurassic Park-style artificial life apocalypse.

Moreover, it suggests one possible application of these lab-made microbes: vaccines. “I f you put it into a person the organism can’t survive any more,” Zhang said — making these cells a safe way to train the body to fight infection.

In 2014, Romesberg co-founded a biotechnology company, Synthorx, aimed at turning proteins made from noncanonical amino acids into medicine. In the near term, he said, scientists could harvest such proteins from synthetic cells and use them to assist with drug-delivery, or to make protein therapeutics, like insulin, more effective.

But an even more distant — and more enticing — application involves not just the proteins, but the lab-made microbes that produce them: “What if you allow the bacteria to harbor this unnatural information retrieve the protein and use it for something interesting?” Romesberg mused. “ Could you develop organisms that have new properties” — like the ability to siphon up oil spills or eat cancer cells? “ Could we develop cells that can do things their natural counterparts can't?”

Maureen McKeague, a synthetic biologist at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich, said this latest achievement is a synthesis of work that Romesberg and others have been chipping away at for a while. By now, several scientists have developed artificial base pairs and synthesized unnatural proteins, “but this demonstrates all the parts can come together, f rom encoding information and storing it to transcribing and translating it,” she said.


Discovery could lead to improved therapies for Duchenne muscular dystrophy

A new multi-institution study spearheaded by researchers at Florida State University and the University of California, Los Angeles suggests a tiny protein could play a major role in combating heart failure related to Duchenne muscular dystrophy (DMD), the most common lethal genetic disorder among children.

In collaboration with scientists from across the nation, FSU researchers found that increased levels of the protein sarcospan improve cardiac function by reinforcing cardiac cell membranes, which become feeble in patients with DMD.

Their findings were published in the journal JCI Insight.

The condition, which typically afflicts young boys, is caused by a mutation that prevents the body from producing dystrophin, a protein crucial to the health of skeletal, respiratory and cardiac muscles. Advances in treatment for certain types of DMD-related muscle degradation have helped to prolong patients' lifespans. However, as DMD patients age, their heart function declines dramatically.

"Patients typically live to 20 or 30 years of age," said lead author Michelle Parvatiyar, an assistant professor in the Department of Nutrition, Food and Exercise Sciences in FSU's College of Human Sciences. "There have been important improvements in respiratory care, which used to be what a majority of patients would succumb to. Now, in their 20s and 30s, they're often succumbing to cardiomyopathy. The heart is functioning with a major component of the cell membrane missing. Over time, it wears out."

The study was part of continued efforts by UCLA biologist Rachelle H. Crosbie, the study's corresponding author, who previously identified sarcospan as a protein that could improve mechanical support in skeletal cell membranes lacking dystrophin. Her finding buoyed DMD researchers and affirmed sarcospan's potential as an effective tool in the fight against the condition.

"But nobody had really looked at how increasing the levels of this protein might affect the heart," Parvatiyar said.

Using a unique mouse model with a dearth of dystrophin, Parvatiyar and her collaborators did just that.

In their study, the team found that while it's is not a like-for-like replacement for dystrophin, an overexpression of sarcospan in cardiac cells seems to do the job of stabilizing cell membranes. Even under stress, researchers found, sarcospan overexpression was able to improve the membrane defect in dystrophin-deficient cells.

"Sarcospan doesn't quite do the job of dystrophin, but it acts as a glue to stabilize the membrane and hold protein complexes together when dystrophin is lacking," said Parvatiyar, explaining a concept developed by Crosbie.

Cardiac measurements confirmed that sarcospan does protect the cell membrane even when the heart is placed under stress. Study co-author and FSU College of Medicine Associate Professor Jose Pinto performed the measurements, along with FSU graduate student Karissa Dieseldorff Jones and University of Miami Miller School of Medicine research assistant Rosemeire Takeuchi Kanashiro.

In addition to serving as a kind of stabilizing glue, researchers said sarcospan could also act as a scaffold that supports other essential proteins at the cell membrane. That function could allow sarcospan to carry mini versions of dystrophin -- which, in its normal state, has a long and unwieldy genetic code -- to the edges of cardiac cells, where they could buttress the fragile membranes.

"The idea is that you could administer the sarcospan and the dystrophin at the same time, and the sarcospan could facilitate mini dystrophin localizing to the cell membrane and help hold those complexes in place," Parvatiyar said.

Sarcospan's two possible functions could augment existing DMD treatments, Parvatiyar said, or they could give rise to novel therapies that fortify weakened cardiac cell membranes and improve the quality of life for people with DMD.

In her previous position at UCLA, Parvatiyar had frequent interactions with DMD patients and their families. She said these interactions, and the unshakeable hope she's witnessed in those suffering from DMD, continue to drive her and her colleagues in the search for new ways to combat this debilitating condition.

"Those were the first times in my life I'd ever had someone come up to me and thank me for my work," she said. "Sometimes you can feel removed from it in the laboratory day after day. You see incremental progress. But to see people who are really yearning for help is motivating. Their positivity is incredibly inspiring."

Researchers from UCLA, the University of Miami, SUNY Binghamton University and the University of Washington contributed to this study. Funding was provided by the National Institutes of Health, the Center for Duchenne Muscular Dystrophy at UCLA-CureDuchenne Postdoctoral Fellowship and the American Heart Association.


Man-made Proteins Could Be More Useful than Real Ones

Researchers have constructed a protein out of amino acids not found in natural proteins, forming a complex, stable structure that closely resembles a natural protein.

Researchers have constructed a protein out of amino acids not found in natural proteins, discovering that they can form a complex, stable structure that closely resembles a natural protein. Their findings could help scientists design drugs that look and act like real proteins but won't be degraded by enzymes or targeted by the immune system, as natural proteins are.

The researchers, led by Howard Hughes Medical Institute (HHMI) professor Alanna Schepartz, report their findings in the February 14, 2007, issue of the Revista de la Sociedad Química Estadounidense, published in advance online on January 19, 2007. Schepartz and her coauthors, Douglas Daniels, James Petersson, and Jade Qiu, are all at Yale University. A story in the February 5, 2007, issue of Chemical & Engineering News spotlighted the research.

As an HHMI professor, Schepartz received a $1 million grant to find ways to infuse undergraduate teaching with the excitement of research. Several of her HHMI undergraduates synthesized beta-amino acid monomers that were used to prepare the synthetic protein.

Schepartz and colleagues built the short protein, or peptide, from β-amino acids, which, although they exist in cells, are never found in ribosomally produced proteins. β-amino acids differ from the alpha-amino acids that compose natural proteins by the addition of a single chemical component—a methylene group—into the peptide backbone.

The fundamental insight from this study is that beta-peptides can assemble into structures that generally resemble natural proteins in shape and stability.

“The fundamental insight from this study is that β-peptides can assemble into structures that generally resemble natural proteins in shape and stability,” Schepartz said. She added that their findings about the structure of the molecule that she and her colleagues synthesized will help scientists construct more elaborate β-peptide assemblies and ones that possess true biologic function.

Such β-peptides could also be designed as pharmaceuticals that would be more effective than natural protein drugs, because the enzymes that degrade natural proteins would not affect them.

To biochemists, a protein's chain-like amino acid sequence is considered its primary structure. Its secondary structure is produced when this chain folds, forming characteristic shapes such as helices. The three-dimensional arrangement of these shapes gives a protein what is known as its tertiary structure. Each of these levels of organization is crucial to determining a protein's function.

In previous studies, researchers had shown that β-peptides could fold from their chain-like primary structure into more complex secondary structures. But these synthetic β-peptides adopted very little or poorly defined tertiary structure, and no one had yet shown that a β-peptide could self-assemble into the kinds of stable bundles of spiral-shaped helices that are characteristic of natural proteins, Schepartz said.

In their studies, Schepartz and colleagues synthesized a β-peptide they called Zwit1-F. They allowed the chain of β-amino acids to assemble into its own structure and then analyzed it with x-ray crystallography, a technique in which x-rays are directed through a crystal of a protein so that its structure can be deduced from the resulting diffraction pattern.

The researchers found that the Zwit1-F peptide folded into a bundle of coiled helices that resembled those in natural proteins. In particular, Schepartz noted that both natural proteins and the β-peptide bundle folded in ways that placed the “water-hating” hydrophobic segments of the molecule in the core of the structure. Other features, too, were remarkably similar to a coiled helix bundle formed of α-amino acids.

“What is interesting about the β-peptide bundle is its similarity to α-helical bundles when viewed from afar,” she said. “It has a massive hydrophobic core, parallel and antiparallel helices, and an array of polar side chains on the surface. Looking from a distance, you'd say this was a helical bundle protein.”

There were significant differences, however. “Only when you look at the details, does it become clear that there are differences between the β-peptide structure and natural helical bundle proteins,” Schepartz said. For example, when helices of natural peptides nestle against one another, often their “side chains” extend from the sides of each helix, fitting together like ridges in grooves. The β-peptide helices, however, are structured so that their side chains alternate like interlocking fingers.

Schepartz said that the discovery of the tertiary helical bundle structure of Zwit1-F offers a “structural blueprint” for the design of more complex β-peptides that would function like natural proteins. Natural proteins, for example, operate as enzymes that catalytically guide chemical reactions in the cell.

Schepartz and colleagues now want to try to bind metal ions to the Zwit1-F structure. Metal ion binding would enable the researchers to begin designing enzymes based on the β-peptide, she explained. “We're also interested in generating versions that can assemble in membranes, as a first step toward making transmembrane proteins composed of β-amino acids,” she said.

One of the most exciting potential results of their finding could be design of β-peptide drugs. “There is growing interest in proteins as drugs,” said Schepartz. “And although certain proteins are very effective pharmaceuticals, protein drugs generally suffer from storage and stability problems outside the body and from degradation inside the body. β-peptides may be more stable than traditional protein drugs and would not be recognized by the proteases that destroy proteins in the cell.”

Schepartz said their discovery that the β-peptide Zwit1-F structurally resembles natural peptides raises a thorny biological question: Why don't β-peptide proteins exist in nature? "Certain β-amino acids are naturally synthesized in cells, and they are even loaded onto transfer RNA molecules that carry the amino acid components to the protein-making machinery of the cell, the ribosome," she noted. “But to my knowledge, there are no ribosomally constructed proteins that contain β-amino acids,” she said.

“The most provocative finding of this paper is that β-amino acids were not avoided as the building blocks of proteins because they cannot assemble into complex structures,” she said. “We've shown that clearly they can."

Jack Szostak, an HHMI investigator at Harvard Medical School who studies the origin of function of nucleic acid and peptide molecules, commented: "This paper shows that protein-like folded structures can be formed by molecules that are protein-like but have chemically distinct backbones. This is conceptually similar to recent demonstrations by Eschenmoser, Herdewijn, Benner, etc., that many nucleic acids that are chemically distinct from RNA and DNA can still form base-paired duplexes. In both cases, the implication is that biology uses its standard macromolecules not because they are uniquely suited to their tasks, but at least in part because of other considerations, such as ease of synthesis, or possibly historical accident."


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