(Botulino-Immagine Credit Public Domain).
Quando le persone sentono parlare di tossina botulinica, spesso pensano a due cose: un cosmetico che fa sparire le rughe o un veleno mortale.
Ma la tossina botulinica, nota come “veleno miracoloso”, è stata approvata dalla FDA per trattare una serie di malattie come emicranie croniche, battito di ciglia incontrollato e alcuni spasmi muscolari. E ora, un team di ricercatori dell’Università di Harvard e del Broad Institute ha, per la prima volta, dimostrato di poter far evolvere rapidamente la tossina in laboratorio per indirizzare una varietà di proteine diverse, creando una suite di proteine super selettive su misura chiamate proteasi con il potenziale per aiutare nella neuroregenerazione, regolare gli ormoni della crescita, calmare l’infiammazione dilagante o smorzare la risposta immunitaria pericolosa per la vita chiamata tempesta di citochine.
“In teoria, c’è un tetto molto alto per il numero e il tipo di condizioni su cui poter intervenire”, ha detto Travis Blum, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica e primo autore dello studio pubblicato su Science. Lo studio è stato il culmine di una collaborazione con Min Dong, Prof. associato presso la Harvard Medical School e David Liu, Thomas Dudley Cabot Professor of the Natural Sciences, un Howard Hughes Medical Institute Investigator e un membro della facoltà di base del Broad Istituto.
Il team ha ottenuto due primati: i ricercatori hanno riprogrammato con successo le proteasi – enzimi che tagliano le proteine per attivarle o disattivarle – per tagliare bersagli proteici completamente nuovi, anche alcuni con poca o nessuna somiglianza con i bersagli nativi delle proteasi iniziali e contemporaneamente evitare di coinvolgere i loro obiettivi originali. Hanno anche iniziato ad affrontare quella che Blum chiamava una “sfida classica in biologia”: progettare trattamenti che possono attraversare una cellula. A differenza della maggior parte delle proteine di grandi dimensioni, le proteasi della tossina botulinica possono entrare nei neuroni in gran numero con una portata più ampia che le rende ancora più attraenti come potenziali terapie.
Ora, la tecnologia del team può evolvere proteasi personalizzate con istruzioni su misura per quale proteina tagliare. “Una tale capacità potrebbe rendere fattibile la ‘modifica del proteoma’ “, ha detto Liu, “in modi che completano il recente sviluppo di tecnologie per modificare il genoma”.
Le attuali tecnologie di modifica genetica spesso prendono di mira malattie croniche come l’anemia falciforme, causata da un errore genetico sottostante. “Correggi l’errore e i sintomi svaniranno”. Ma alcune malattie acute, come il danno neurologico a seguito di un ictus, non sono causate da un errore genetico. È qui che entrano in gioco le terapie a base di proteasi: le proteine possono aiutare a rafforzare la capacità del corpo di guarire qualcosa come un danno ai nervi attraverso un trattamento temporaneo o anche una tantum.
Gli scienziati sono desiderosi di poter utilizzare le proteasi per curare le malattie da decenni. A differenza degli anticorpi, che possono attaccare solo specifiche sostanze nel corpo, le proteasi possono trovare e attaccarsi a un numero qualsiasi di proteine e, una volta legate, possono fare di più che distruggere il loro bersaglio. Potrebbero, ad esempio, riattivare le proteine dormienti.
“Nonostante queste importanti caratteristiche, le proteasi non sono state ampiamente adottate come terapie umane”, ha detto Liu, “principalmente a causa della mancanza di una tecnologia per generare proteasi che fendono bersagli proteici di nostra scelta”.
Ma Liu ha un asso della tecnologia in tasca: PACE (che sta per evoluzione continua assistita dai fagi). Un’invenzione del laboratorio Liu, la piattaforma evolve rapidamente nuove proteine con caratteristiche preziose. “PACE”, ha detto Liu, “può evolvere dozzine di generazioni di proteine al giorno con un intervento umano minimo”. Usando PACE, il team ha prima indirizzato le cosiddette proteasi “promiscue”, quelle che prendono naturalmente di mira un’ampia fascia di proteine, a smettere di tagliare determinati bersagli e diventare molto più selettive. Quando ha funzionato, sono passati alla sfida più grande: insegnare a una proteasi a riconoscere solo un obiettivo completamente nuovo, uno fuori dalla sua naturale abilità.
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“All’inizio”, ha detto Blum, “non sapevamo nemmeno se fosse possibile prendere questa classe unica di proteasi e farle evolvere o insegnare loro a tagliare qualcosa di nuovo perché non era mai stato fatto prima”. Ma le proteasi hanno superato le aspettative del team. Con PACE, i ricercatori hanno sviluppato quattro proteasi da tre famiglie di tossina botulinica; tutti e quattro non hanno rilevato alcuna attività sui loro target originali e hanno tagliato i loro nuovi target con un alto livello di specificità (da 218 a oltre 11.000.000 di volte). Le proteasi hanno anche mantenuto la loro preziosa capacità di entrare nelle cellule. “Ti ritroverai con un potente strumento per fare la terapia intracellulare”, ha detto Blum. “In teoria”.
“In teoria” perché, mentre questo lavoro fornisce una solida base per la rapida generazione di molte nuove proteasi con nuove capacità, molto più lavoro deve essere fatto prima che tali proteasi possano essere utilizzate per trattare gli esseri umani. Ci sono anche altri limiti: le proteine non sono ideali come cure per le malattie croniche perché, nel tempo, il sistema immunitario del corpo le riconoscerà come sostanze estranee e le attaccherà e disinnescerà. Mentre la tossina botulinica dura più a lungo della maggior parte delle proteine nelle cellule (fino a tre mesi rispetto al tipico ciclo di vita delle proteine di ore o giorni), le proteine evolute del team potrebbero avere vite più brevi, il che potrebbe diminuire la loro efficacia.
Tuttavia, poiché il sistema immunitario richiede tempo per identificare le sostanze estranee, le proteasi potrebbero essere efficaci per trattamenti temporanei. Poiché il loro lavoro sulle proteasi della tossina botulinica si è rivelato efficace, il team prevede di continuare ad armeggiare anche con quelle, il che significa continuare la loro fruttuosa collaborazione con Min Dong, che non solo ha il permesso richiesto dai Centers for Disease Control (CDC), ma fornisce una prospettiva critica sulle potenziali applicazioni mediche e gli obiettivi per le proteasi.
“Stiamo ancora cercando di capire i limiti del sistema, ma in un mondo ideale”, ha detto Blum, “possiamo pensare di utilizzare queste tossine per scindere teoricamente qualsiasi proteina di interesse”.
Fonte:Science
