Teknik pemandu kapsul AAV yang dipandu mesin – Sains Terkini


Virus yang terkait dengan adeno (AAV) telah menjadi sarana utama untuk mengirimkan muatan gen terapeutik ke jaringan target untuk gelombang terbaru terapi gen yang sedang dikembangkan di laboratorium akademik dan bioteknologi. Namun, AAV alami tidak secara khusus menargetkan sel dan jaringan yang sakit, dan mereka dapat dikenali oleh sistem kekebalan dengan cara yang membatasi keberhasilan terapi. Untuk meningkatkan AAV, ahli biologi sintetis telah mengambil pendekatan "evolusi terarah" di mana mereka secara acak memutasi blok pembangun asam amino spesifik dari protein kapsid yang membentuk cangkang virus dan secara langsung menghubungi sel-sel target. Dengan mengevaluasi perubahan mana yang dapat mengarahkan virus ke jaringan target dan secara berturut-turut meletakan mutasi satu sama lain dalam proses berulang yang sulit, mereka bertujuan untuk meningkatkan sifat-sifat AAV yang diinginkan.

Sekarang para ilmuwan di Institut Wyss Harvard untuk Teknik yang Terinspirasi Secara Biologis dan Harvard Medical School (HMS) melaporkan pendekatan untuk mempercepat proses pembuatan kapsid AAV yang ditingkatkan, dan untuk mengembangkan virus yang lebih baik.


Mengambil pendekatan berbeda, lebih sistematis untuk masalah rekayasa protein kapsid, tim bermutasi satu per satu dari masing-masing 735 asam amino dalam kapsid AAV2, anggota paling terkenal dari keluarga AAV, termasuk semua kemungkinan pengganti kodon, insersi dan penghapusan di setiap posisi. Mereka menghasilkan perpustakaan virus yang berisi sekitar 200.000 varian dan mengidentifikasi perubahan kapsid yang keduanya mempertahankan viabilitas AAV2 dan meningkatkan potensi "homing" -nya (tropisme) ke organ-organ tertentu pada tikus. Tanpa diduga, tim juga menemukan protein aksesori baru yang tersembunyi dalam urutan DNA penyandian-kapsid yang berikatan dengan membran sel target. Temuan mereka dilaporkan dalam Ilmu.

Tim yang dipimpin oleh anggota Wyss Core Fakultas George Church, Ph.D., dan mantan rekan postdoctoral Eric Kelsic, Ph.D., menyebarkan armamentarium biologi sintetis canggih termasuk generasi-sintesis DNA, barcode, dan kemampuan sekuensing DNA untuk membangun salah satu perpustakaan capsid AAV paling komprehensif hingga saat ini. "Dengan informasi yang dihasilkan oleh perpustakaan ini, kami juga dapat merancang kapsid dengan lebih banyak mutasi daripada varian alami atau sintetik sebelumnya, dan lebih jauh dengan efisiensi menghasilkan kapsid yang jauh melebihi AAV yang diciptakan oleh pendekatan mutagenesis acak" kata Church, yang adalah Pimpinan platform Biologi Sintetis Institut Wyss, dan juga Profesor Genetika Robert Winthrop di HMS dan Profesor Ilmu Kesehatan dan Teknologi di Universitas Harvard dan Institut Teknologi Massachusetts (MIT).

"Teknologi throughput tinggi ini dipasangkan dengan desain dipandu mesin meletakkan dasar untuk varian AAV rekayasa unggul dan sangat disesuaikan untuk terapi gen masa depan," kata rekan penulis pertama Eric Kelsic, Ph.D., yang sekarang CEO Dyno Therapeutics. "Pendekatan masa lalu seperti desain rasional atau mutagenesis acak masing-masing memiliki kekurangan, masing-masing terbatas dalam ukuran perpustakaan atau kualitasnya rendah, masing-masing. Desain yang dipandu mesin adalah pendekatan berbasis data untuk rekayasa protein. Di sini kami menunjukkan bahwa bahkan model matematika sederhana, didukung oleh data yang cukup, berhasil dapat menghasilkan kapsid sintetik yang layak. Pendekatan iteratif dan empiris untuk rekayasa protein memungkinkan kita untuk mendapatkan yang terbaik dari kedua dunia dan menghasilkan sejumlah besar varian kapsid berkualitas tinggi. "

"Tanpa diduga, data resolusi tinggi yang kami hasilkan memungkinkan kami untuk menemukan protein baru yang dikodekan oleh kerangka bacaan yang berbeda dalam urutan DNA kapsid – yang telah luput dari perhatian meskipun telah dilakukan penelitian intensif selama puluhan tahun mengenai virus ini," kata rekan penulis Pierce Ogden, Ph.D., seorang mantan mahasiswa pascasarjana dan sekarang rekan pascadoktoral bekerja dengan Gereja. "Protein terkait aksesori membran (MAAP), seperti kami namakan itu, ada di semua serotipe AAV paling populer dan kami percaya bahwa itu berperan dalam siklus hidup alami virus. Mempelajari bagaimana fungsi-fungsi MAAP akan menjadi area yang menarik bagi penelitian di masa depan dan berpotensi mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang cara memproduksi dan merekayasa terapi gen AAV dengan lebih baik. "


Menurut co-penulis Sam Sinai, Ph.D., mantan mahasiswa pascasarjana Gereja, sekarang menjadi Machine Learning Scientist di Dyno Therapeutics, "Ini mengungkapkan janji rekayasa protein berbasis data, khususnya untuk protein seperti kapsid AAV yang sulit untuk dimodelkan dengan pendekatan komputasi saat ini. Hasil kami sangat menggembirakan tetapi juga hanya langkah pertama. Menggunakan data ini dan orang-orang dari percobaan masa depan, kami akan membangun model pembelajaran mesin untuk mengoptimalkan kapsid dan mengatasi berbagai tantangan terapi gen. "

Kelsic, Sinai dan Church adalah salah satu pendiri Dyno Therapeutics Inc., dan semuanya memegang ekuitas di perusahaan.

"Studi ini adalah tonggak penting dalam upaya platform Sintetis Biologi Wyss Institute untuk memajukan teknologi AAV ke tingkat berikutnya. Pekerjaan ini juga merupakan contoh yang bagus tentang bagaimana kita mulai mengintegrasikan pendekatan pembelajaran mesin dan kecerdasan buatan ke dalam pipa terapi kami," kata Direktur Pendiri Wyss Institute, Donald Ingber, MD, Ph.D., yang juga adalah Profesor Biologi Vaskular Judah Folkman di HMS, Program Biologi Vaskular di Rumah Sakit Anak Boston, dan Profesor Bioteknologi di Fakultas Teknik dan Sekolah Teknik John A. Paulson di Harvard. Ilmu Terapan (SEAS).

Studi ini didanai oleh Institut Wyss Harvard untuk Teknik Biologis Terinspirasi dan National Institutes of Health.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.