Un comutator ARN dezvoltat la TU Darmstadt permite controlul precis al expresiei genelor
Un comutator ARN artificial, numit G12, ar putea deschide noi posibilități în biologia sintetică și, potențial, în terapiile genice. Cercetătorii au elucidat mecanismul prin care acest comutator recunoaște doxiciclina și activează sau dezactivează selectiv expresia genelor, atât în celule de drojdie, cât și în celule umane.
Doxiciclina este un antibiotic folosit de zeci de ani în tratarea infecțiilor bacteriene. Este bine tolerată de organism și pătrunde cu ușurință în interiorul celulelor, ceea ce o face ideală ca moleculă de semnalizare. Prin introducerea ei în celulă, cercetătorii pot controla din exterior un comutator ARN specific, cunoscut sub numele de ribocomutator.
Ribocomutatoarele există în natură de miliarde de ani, în special la bacterii și alte microorganisme, unde ajută celulele să își adapteze metabolismul la un mediu în schimbare. Un ribocomutator natural recunoaște de obicei un produs metabolic specific. Când această moleculă se leagă, ARN-ul își schimbă forma și influențează dacă mesajul genetic este transpus în proteină. Astfel, ribocomutatorul acționează ca un întrerupător molecular care ajustează expresia genelor în funcție de un semnal chimic.
Comutatoarele ARN produse artificial aplică același principiu, dar pentru substanțe pe care cercetătorii le pot alege liber. Doxiciclina, folosită ca antibiotic timp de decenii, capătă acum un al doilea rol: acela de declanșator chimic care activează comutatorul ARN artificial G12.
De la tetraciclină la doxiciclină: un nou instrument în biologia sintetică
Multe molecule de ARN pot să se lege de compuși mici, dar doar câteva pot fi transformate în ribocomutatoare eficiente. Simpla legare nu este suficientă: ARN-ul trebuie să transforme recunoașterea moleculară într-o schimbare structurală suficient de puternică pentru a influența expresia genelor. Găsirea unor astfel de candidați rari necesită screening extins al unor biblioteci mari de ARN, secvențiere amplă și, mai ales, teste funcționale în celule vii.
Încă din 2003, echipa de cercetare a demonstrat că aptamerii — fragmente scurte de ARN care recunosc o substanță specifică cu precizie — pot fi aplicați la antibioticumul tetraciclină și utilizați pentru a regla condiționat producția de proteine în drojdie. Acest studiu a stabilit una dintre platformele pionierat pentru comutatoarele ARN sintetice. Noul studiu continuă această direcție și adaugă un regulator de înaltă performanță în instrumentarul molecular, folosind acum doxiciclina ca declanșator și dovedindu-se mai eficient decât comutatorul bazat pe tetraciclină.
Cercetătorii investighează în prezent structura tridimensională a G12 în detaliu, pentru a înțelege mai bine cum funcționează. Aceste descoperiri ar putea ajuta la proiectarea țintită a viitoarelor comutatoare ARN. Împreună cu parteneri din mediul academic și din industrie, echipa explorează și modul în care G12 poate fi adaptat pentru aplicații mai largi în biologia sintetică, inclusiv exprimarea controlată a genelor selectate în plante.
Perspective pentru terapii genice și medicamente bazate pe ARN
O altă direcție promițătoare este combinarea G12 cu enzime ARN auto-clivante, cunoscute sub numele de ribozime. Astfel de construcții hibride, adesea numite aptazime, ar putea fi proiectate astfel încât doxiciclina să determine dacă un ARN mesager rămâne intact sau este clivat și ulterior degradat.
Pe termen lung, acest principiu ar putea oferi un nivel suplimentar de control și siguranță pentru medicamentele bazate pe ARN mesager, inclusiv vaccinuri, precum și pentru terapiile genice. Un astfel de „frână de urgență” bazat pe ARN ar putea face posibilă încetinirea sau oprirea producției unei proteine terapeutice în cazul apariției unor efecte nedorite.
Deși aceste aplicații se află încă în stadii incipiente de dezvoltare, echipa este convinsă că G12 poate deschide calea pentru dezvoltarea unor astfel de mecanisme de protecție în viitorul apropiat.
