Эволюционная машина на основе млекопитающих клеток: революция в разработке вакцин и лекарств будущего

DeFi Цифровое искусство NFT

Развитие биотехнологий постоянно наращивает темпы, а переход от использования простейших организмов к сложным клеточным системам становится очередным этапом революции в медицине. Одним из самых многообещающих направлений последних лет стала разработка так называемых систем направленной эволюции, позволяющих ускорить процессы природного отбора и адаптации биомолекул под конкретные задачи. С недавних пор ученые усовершенствовали этот подход, внедрив инновационную платформу, основанную на эволюции белков непосредственно в клетках млекопитающих. Эта технология, известная как PROTEUS, обещает кардинально изменить методы разработки вакцин, генетических редакторов и лекарств нового поколения, способных справляться с болезнями более эффективно и с меньшими рисками. Современные методы направленной эволюции традиционно используют бактерии или дрожжи из-за их простоты и быстроты размножения.

Однако млекопитающие клетки представляют собой куда более сложную среду для подобных экспериментов. Клетки млекопитающих имеют большие геномы, а также прохождение белков через процесс посттрансляционных модификаций, которые изменяют их свойства и функции. Это значительно усложняет возможность быстрого и точного эволюционного отбора генов и белков, способных успешно функционировать в человеческом организме. Именно поэтому новая система PROTEUS, разработанная в Университете Сиднея, стала настоящим прорывом, способным устранить ограничения традиционных методов. PROTEUS работает по уникальному принципу, вдохновлённому вирусными механизмами эволюции и адаптации, подобным тем, что проявляются в таких вирусах как SARS-CoV-2.

Платформа использует специально модифицированные вирусоподобные частицы, содержащие гены белков, которые подвергаются мутациям в ходе репликации внутри млекопитающих клеток. За один цикл, который занимает всего 24 часа, происходит множество этапов: генерация разнообразных мутаций, отбор наиболее функциональных вариантов и их амплификация. Таким образом, процесс направленной эволюции проходит многократно, что позволяет за несколько недель получить оптимально адаптированные белки, способные эффективно работать именно в сложной среде млекопитающих клеток. Одной из самых сильных сторон PROTEUS является возможность создавать белковые варианты, которые обладают полезными мутациями, специфичными именно для млекопитающих клеток. Это означает, что белки, эволюционировавшие в системах PROTEUS, оказываются максимально функциональными в человеческих тканях и органах, что значительно увеличивает шансы на успешное применение таких белков в медицине.

К примеру, на платформе уже исследовались транскрипционные факторы — белки, регулирующие экспрессию генов — с мутациями, которые окажут влияние только в клетках млекопитающих, избегая эффектов, характерных для других организмов. Важное преимущество системы PROTEUS заключается в масштабируемости и параллельной работе с миллионами клеток одновременно. Благодаря этому можно изучать множество вариантов гена одновременно, что значительно расширяет охват генетической вариативности и повышает шансы найти наиболее эффективные и безопасные варианты белков. Кроме того, технология обходится значительно дешевле и быстрее по сравнению с традиционными методами, что делает её привлекательной для широкого спектра исследовательских и коммерческих проектов. Еще одним важным аспектом PROTEUS является открытость и доступность платформы для научного сообщества.

Согласно публикации в журнале Nature Communications, все данные, последовательности и методологии доступны в открытом доступе, что способствует ускоренному развитию науки и инновациям. Платформа предлагается как часть некоммерческого репозитория Addgene, который предоставляет исследователям необходимые инструменты и материалы для внедрения технологии в своих лабораториях. Технология PROTEUS находит применение в различных направлениях биомедицины. В первую очередь, это создание высокоспецифичных терапевтических белков и мРНК-вакцин с минимальными побочными эффектами. В условиях пандемии COVID-19 стало очевидно, насколько важна скорость адаптации вакцин к новым штаммам вируса.

PROTEUS дает возможность провести эволюцию белков, ответственных за связывание вируса с клетками, значительно быстрее, чем любые предыдущие методы, что потенциально позволит быстро создавать более эффективные профилактические и лечебные препараты. Кроме того, платформа особенно перспективна для развития направленных редактирующих систем, таких как CRISPR. Сейчас многие генетические редакторы создаются с применением эволюции в бактериях, но PROTEUS позволит развивать эти инструменты именно в млекопитающих клетках, оптимизируя их эффективность и снижая риск нежелательных мутаций. Результаты такого подхода способны облегчить лечение редких генетических заболеваний, повысить безопасность и точность генетической терапии. Особый интерес вызывает возможность эволюционировать мембранные белки — важнейшие участники взаимодействий лекарств с клетками.

Большая часть медикаментов, включая обезболивающие, препараты для контроля веса и противовирусные средства, взаимодействуют с мембранными рецепторами. Прогресс в понимании и создании более эффективных вариантов этих белков, который теперь ускоряется благодаря PROTEUS, может открыть новые лечебные возможности и повысить эффективность существующих лекарств. Несмотря на всё многообразие положительных сторон, механизм работы системы требует высокой квалификации в области молекулярной биологии и вирусологии. Работа с вирусоподобными частицами, мутациями и масштабными культурами клеток требует соответствующей инфраструктуры и строгого соблюдения биобезопасности. Однако благодаря открытому доступу и поддержке международного научного сообщества, эти проблемы постепенно решаются, что способствует распространению и развитию технологии.

Потенциал коммерциализации PROTEUS уже начал реализовываться — исследовательская команда подала патентные заявки и ведет переговоры об использовании технологии в промышленности и медицинских проектах. Это может привести к появлению новых биофармацевтических компаний и продуктов, основанных на высокоадаптированных белках, предназначенных для точечной терапии и персонализированной медицины. За последние годы направленная эволюция стала одним из основных драйверов биомедицинских инноваций. Благодаря таким платформам, как PROTEUS, наступает новое время, когда жизнь можно не только изучать, но и направленно улучшать, адаптируя молекулы под конкретные нужды человека. Это открывает путь к более быстрым, точным и эффективным вакцинам, лекарствам и методам лечения, способным изменить стандарты здравоохранения в ближайшие десятилетия.