Un team di ricerca riduce del 95% i costi di costruzione di sistemi acellulari ricostituiti.

Un team di ricerca guidato dal professor Joongoo Lee del Dipartimento di Ingegneria Chimica del POSTECH (Pohang University of Science and Technology) ha sviluppato un metodo automatizzato e modulare per l’assemblaggio di sistemi acellulari ricostituiti, ovvero sistemi in provetta in grado di produrre proteine ​​al di fuori delle cellule viventi.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Trends in Biotechnology .

Rispetto ai kit disponibili in commercio, questa piattaforma ha ridotto i costi di preparazione del 95%, ha quintuplicato le prestazioni della sintesi proteica acellulare e ha ridotto i tempi di preparazione da quattro a due giorni.

Un modo semplice per comprendere la sintesi proteica acellulare è pensare a un caffè istantaneo 3 in 1. Caffè, zucchero e panna sono già miscelati in proporzioni fisse. Tutto ciò che dobbiamo fare è aggiungere acqua calda.

La sintesi proteica acellulare funziona secondo un principio simile. Invece di affidarsi a cellule viventi, il macchinario di traduzione viene preparato in anticipo e i ricercatori aggiungono semplicemente il DNA, che rappresenta la “ricetta” per la proteina che desiderano produrre.

Il problema è che questo caffè istantaneo per la sintesi proteica è risultato estremamente costoso. Solo un numero limitato di fornitori offre sistemi pronti all’uso, e la loro preparazione in laboratorio ha comportato processi laboriosi e dispendiosi in termini di tempo, che dipendono fortemente dall’abilità dello sperimentatore.

Per superare questa difficoltà, il team di ricerca del POSTECH ha spostato la produzione dei componenti chiave al di fuori delle cellule viventi. Utilizzando una piattaforma di sintesi proteica acellulare basata su lisato di E. coli, i ricercatori hanno prodotto i fattori di traduzione direttamente dalle provette e integrato il processo con un sistema automatizzato di manipolazione dei liquidi. Ciò ha ridotto i tempi di intervento manuale, semplificato il flusso di lavoro e reso il sistema più riproducibile da un lotto all’altro.

Un altro vantaggio fondamentale del sistema è il suo design modulare. I ricercatori possono aggiungere o rimuovere singoli componenti a seconda dei loro esperimenti.

Sfruttando questa flessibilità, il team di ricerca del POSTECH è riuscito a incorporare amminoacidi non canonici in peptidi e proteine. Questa capacità potrebbe rivelarsi utile per la bioingegneria di farmaci di alto valore, inclusi i coniugati anticorpo-farmaco, in cui i farmaci sono legati agli anticorpi.

Questo progresso è particolarmente rilevante per le biofonderie, infrastrutture automatizzate che utilizzano robotica e intelligenza artificiale per progettare, costruire, testare e apprendere da un gran numero di esperimenti. Un sistema acellulare, personalizzabile e a basso costo potrebbe contribuire a superare uno dei principali ostacoli pratici nella scoperta di farmaci e nell’ingegneria enzimatica.

Il professor Joongoo Lee del POSTECH, che ha guidato lo studio, ha spiegato: “Abbiamo creato una piattaforma automatizzata che rende la sintesi proteica acellulare notevolmente più veloce ed economica, consentendo al contempo di personalizzare liberamente i suoi componenti a seconda dell’applicazione.”

Prontezza tecnologica

Componenti purificati ottimizzati per l’espressione proteica flessibile utilizzando in vitro fattori di traduzione prodotti ( i -POPFLEX) è un sistema acellulare ricostituito composto da 34 componenti di traduzione e una RNA polimerasi T7 divisa, sintetizzati individualmente in vitro e assemblati tramite automazione. Questo sistema raggiunge rese proteiche fino a 8,4 volte superiori con una riduzione dei costi del 96% (27 volte inferiore; USD 0,05 μl). ⁻¹ ) rispetto ai kit commerciali di sintesi proteica utilizzando elementi ricombinanti (USD 1,36 μl ⁻¹ e riduce i tempi di preparazione della miscela proteica da 4 a 2 giorni. Il flusso di lavoro è stato validato in diverse applicazioni di sintesi di proteine ​​e peptidi, tra cui la riprogrammazione del codice genetico e l’incorporazione sito-specifica di amminoacidi non canonici, e si integra perfettamente con le piattaforme automatizzate di manipolazione dei liquidi da banco. Queste capacità collocano i -POPFLEX al livello di maturità tecnologica 4-5: componenti integrati validati in un ambiente di laboratorio e in fase di avanzamento verso la prontezza su scala pilota.

Per una diffusione su vasta scala, rimangono diverse sfide chiave. Corrispondenza dei costi del lisato grezzo (USD 0,03 μl ⁻¹ La produzione di reagenti su larga scala richiederà strategie di approvvigionamento ottimizzate e attrezzature specializzate per la sintesi di componenti ad alto rendimento. Consentire la produzione su scala di millilitri e litri richiederà miglioramenti nella sintesi a monte, nella purificazione a valle e nel controllo qualità per garantire prestazioni costanti a livello industriale. Il superamento di questi ostacoli consentirebbe la produzione di migliaia o milioni di sistemi i -POPFLEX completamente assemblati per l’ingegneria enzimatica su scala di biofonderia, la prototipazione di vie metaboliche e lo screening di varianti su larga scala, democratizzando la tecnologia dei sistemi acellulari ricostituiti e accelerando l’adozione nelle pipeline di biofabbricazione di nuova generazione.

Punti salienti

Componenti purificati ottimizzati per l’espressione proteica flessibile utilizzando in vitro fattori di traduzione prodotti ( i -POFLEX) è un sistema di sintesi proteica acellulare ricostituito, assemblato a partire da 35 componenti prodotti in vitro , con tampone, ribosomi e tRNA preparati internamente.

L’automazione di un sistema di manipolazione liquidi da banco dimezza i tempi di intervento manuale e raddoppia l’efficienza complessiva della preparazione.

i -POPFLEX offre rese proteiche fino a 8,4 volte superiori con una riduzione dei costi del 96% rispetto ai kit commerciali di sintesi proteica con elementi ricombinanti, trasformando i sistemi acellulari ricostituiti da strumenti sperimentali specializzati in piattaforme robuste e pratiche per le biofonderie di nuova generazione.

Il suo design modulare consente l’omissione selettiva di fattori per la riprogrammazione del codice genetico e l’incorporazione di aminoacidi non canonici tramite codoni senso e non senso.

L’incorporazione sito-specifica di amminoacidi non canonici recanti gruppi funzionali “cliccabili” consente la bioconjugazione e apre la strada alla produzione diretta di biomateriali di alto valore.

Abstract

La sintesi proteica acellulare ad alte prestazioni ha un potenziale trasformativo per la biologia sintetica, tuttavia i costi proibitivi dei kit per la sintesi proteica utilizzando elementi ricombinanti e l’intensità di lavoro della preparazione interna hanno limitato l’accessibilità e la scalabilità. Abbiamo sviluppato componenti purificati ottimizzati per l’espressione proteica flessibile utilizzando in vitro fattori di traduzione prodotti ( i -POPFLEX), un sistema modulare di sintesi proteica acellulare in cui 34 fattori di traduzione e una RNA polimerasi T7 divisa vengono sintetizzati individualmente in vitro e assemblati utilizzando la manipolazione automatizzata dei liquidi. Questo flusso di lavoro riduce al minimo l’intervento manuale e supporta la produzione parallela, generando sistemi completi e pronti all’uso entro 2 giorni. i -POPFLEX raggiunge rese proteiche fino a 8,4 volte superiori e una riduzione dei costi del 96% (27 volte inferiore) rispetto ai kit commerciali. La sua architettura flessibile consente anche l’inclusione selettiva di componenti per la riprogrammazione del codice genetico e l’incorporazione sito-specifica di amminoacidi non canonici. Accoppiando la progettazione modulare con l’automazione, i -POPFLEX offre una piattaforma accessibile, personalizzabile ed economicamente vantaggiosa per i flussi di lavoro di biofabbricazione di nuova generazione.

 

Abstract grafico

Immagine Tradotta in Italiano Credito: TheSolver.it

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