El pasado 3 de octubre se anunció el premio Nobel de Química y para sorpresa de muchos, incluyendo la mía, no se lo otorgaron a las nuevas tecnologías que actualmente están revolucionando la biología.
Se lo otorgaron a un concepto acuñado en mediado de los años 80, el uso de la generación de diversidad genética como motor para la obtención de la nuevos productos. El premio fue para Frances H. Arnold por la evolución dirigida de enzimas, y a George P. Smith y Gregory P. Winter por la presentación de péptidos y anticuerpos en bacteriófagos o más conocido por su nombre en inglés phage display.
Ambos descubrimientos utilizan el concepto de evolución. Los organismos evolucionan porque mutan (cometen errores y cambian su genoma), lo cual les permiten generar diversidad, la cual a su vez permite explorar variantes que generen nuevas funciones o actividades. De esta manera, tanto la evolución dirigida como la presentación en bacteriófagos buscan generar diversidad y seleccionar péptidos y/o proteínas que cumplan nuevas y fascinantes funciones.
Antes de empezar a tratar de explicar estas nuevas tecnologías es importante entender qué es una proteína y qué es un péptido.
Las proteínas son polímeros formados por la combinación de 20 aminoácidos y son las responsables de la gran mayoría de las funciones en los organismos vivos. Variantes en el orden y tipo de aminoácidos presentes en las proteínas permiten generar las diversas funciones que realiza nuestro organismo. Los péptidos son proteínas más pequeñas.
La evolución dirigida
Three Nobel Laureates affiliated with @Caltech celebrating after the announcement of the 2018 #NobelPrize in Chemistry: Kip Thorne (Physics 2017), Frances Arnold (Chemistry 2018) and David Baltimore (Medicine 1975). pic.twitter.com/tQL1sWZiCx
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 11, 2018
Bajo esta lógica, en 1993 Frances H. Arnold desarrolló un método por el cual es posible generar mutaciones —miles de variantes de una misma proteína— para luego seleccionar las que presentan funciones específicas (1). De esta manera, lo que hubiera tomado siglos en la evolución natural se puedo condensar en semanas de trabajo.
Esta estrategia ha sido perfeccionada, manteniendo el concepto, pero realizando variaciones en sitios específicos y ha sido un compañero ideal de los métodos actuales de diseño de proteínas. Ha permitido avanzar en el complejo camino de la generación de proteínas con nuevas aplicaciones.
Mediante esta estrategia ha sido posible generar enzimas más eficientes o que reconozcan nuevos substratos, permitiendo la degradación de compuestos tóxicos o reemplazar procesos químicos más agresivos por enzimas, logrando procesos industriales más amigables con el ambiente, entre otras innumerables aplicaciones.
Presentación de proteínas y péptidos en fagos (phage display)
Los fagos o bacteriófagos son virus que infectan bacterias y son muy fáciles de manejar en el laboratorio. En 1985, George Smith desarrolló un método en el cual logró introducir dentro del genoma del fago la secuencia que codificaba a péptidos. Esto ha permitido que secuencias peptídicas sean acopladas a proteínas estructurales del bacteriófago filamentoso, de tal manera que el virus presente en su superficie esta secuencias (2).
Utilizando esta tecnología fue posible generar genotecas (bibliotecas de genes), de tal forma a tener colecciones de bacteriófagos que expresaban una gran variedad de moléculas diferentes en su superficie (del orden de miles de millones). Actualmente se pueden generar genotecas con tamaños del orden de 1.014 (cientos de millones de millones).
Al acoplar esto con sistemas de selección in vitro, fue posible identificar secuencias que codifican péptidos capaces de interactuar con blancos específicos. Esto ha permitido el uso del phage display en el tamizaje de ligandos, el desarrollo de nuevos medicamentos y la evolución de moléculas de diseño.
George Smith fue extremadamente generoso con esta tecnología al permitir el uso de vectores y protocolos por otros investigadores. Aún hoy se puede acceder a su página web donde puede obtenerse información valiosísima sobre cómo utilizar esta tecnología.
Gregory Winter tuvo la idea brillante acoplar anticuerpos recombinantes humanos a los fagos. Utilizando esta estrategia, construyó una genoteca de anticuerpos con la cual después seleccionó y obtuvo anticuerpos humanos contra diferentes moléculas, relacionadas con enfermedades autoinmunes, cáncer, entre otros.
Es de notar el caso del Adalimumab, un anticuerpo contra Factor de Necrosis Tumoral (TNF) utilizado contra diferentes enfermedades autoinmunes (3), que en 2017, por segundo año consecutivo, fue el fármaco que más ganancias ha generado, prácticamente duplicando a sus inmediatos competidores (4).
Es importante notar que el uso de la presentación en fagos no se ha limitado a la obtención de secuencias capaces de reconocer moléculas. El fago filamentoso utilizado por Smith y Winter presenta una estructura tubular, lo cual ha permitido utilizarlo como si fuera un nanomaterial. Así ha sido posible la generación de estructuras como láminas y tubos que se utilizaron para la generación de diferentes componentes, como baterías, nanoconductores, etc.
Además, considerando que este virus es altamente inmunogénico, se ha utilizado para presentar en su superficie epítopos de otros patógenos para la generación de nuevas vacunas recombinantes. (5)
Phage display en Paraguay
Desde 2012, en el departamento de Biotecnología de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Asunción, nuestro grupo de investigación empezó a trabajar con esta tecnología.
Inicialmente hemos construido nuestra propia genoteca de anticuerpos humanos. Además, hemos construido bacteriófagos recombinantes capaces de unir a metales pesados y matrices de anclaje.
Actualmente, nos encontramos desarrollando una plataforma para la presentación de péptidos antigénicos y el desarrollo de vacunas recombinantes utilizando fagos filamentosos.
Diferentes alumnos de grado y posgrado han sido formados en el uso de esta tecnología.
Dada la simpleza y potencialidades de la presentación en bacteriófagos, no queda más que imaginarse un fuerte desarrollo de esta tecnología, con un claro futuro en nuevas aplicaciones en la creación de fármacos y en bionanotecnología.
Referencias
- Chen K, Arnold FH. Tuning the activity of an enzyme for unusual environments: sequential random mutagenesis of subtilisin E for catalysis in dimethylformamide. Proc Natl Acad Sci [Internet]. 1993 Jun 15;90(12):5618–22.
- Smith GP. Filamentous phage fusion: novel expression vectors that display cloned antigens on the surface of the virion. Science (80- ). 1985;228(1984):1315–7.
- Jespers LS, Roberts A, Mahler SM, Winter G, Hoogenboom HR. Guiding the selection of human antibodies from phage display repertoires to a single epitope of an antigen. Biotechnology (N Y) [Internet]. 1994 Sep;12(9):899–903.
- Langjahr P, Sotelo P. Present and future of therapeutic recombinant antibodies. Memorias del Inst Investig en Ciencias la Salud [Internet]. 2016;14(2):110–21.
- Henry KA, Arbabi-Ghahroudi M, Scott JK. Beyond phage display: Non-traditional applications of the filamentous bacteriophage as a vaccine carrier, therapeutic biologic, and bioconjugation scaffold. Front Microbiol. 2015;6(AUG):1–18.
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Columnista de microbiología y biotecnología de Ciencia del Sur. Bioquímico egresado de la Facultad de Ciencias Químicas (FCQ) de la Universidad Nacional de Asunción (UNA), doctor en Ciencias mención en Microbiología egresado de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile y exbecario DAAD. Profesor asistente y jefe del Departamento de Biotecnología de la FCQ-UNA. Sus líneas de investigación se centran en el uso de bacteriófagos (virus bacterianos) para el desarrollo de productos biotecnológicos mediante ingeniería genética y en la identificación de nuevos antivirales. Es investigador categorizado pol el PRONII del Conacyt.
