Investigadores del Instituto Wyss demuestran ingeniería guiada por máquina de cápside AAV para terapia génica
El enfoque de biología sintética de alto rendimiento revela características ocultas del AAV y podría ayudar a acelerar futuras terapias genéticas
28 de noviembre de 2019 Por Benjamin Boettner
(BOSTON) — Los virus asociados a los adenos (AAV) se han convertido en el vehículo de destino para la entrega de carga génica terapéutica a los tejidos dirigidos a la ola de terapias genéticas que están en desarrollo en laboratorios académicos y biotecnológicos.
Sin embargo, los AAV naturales no se dirigen específicamente a las células y tejidos enfermos, y pueden ser reconocidos por el sistema inmunitario de maneras que limitan el éxito terapéutico. Para mejorar los AAV, los biólogos sintéticos han estado adoptando un enfoque de «evolución dirigida» en el que mutan aleatoriamente bloques de construcción de aminoácidos específicos de las proteínas cápside que forman la cáscara del virus y contactan directamente con las células diana. Al evaluar qué cambios pueden enrutar el virus hacia los tejidos objetivo y sucesivamente capas mutaciones una encima de la otra en un arduo proceso iterativo, tienen como objetivo mejorar los rasgos AAV deseables. máquina de cápside AAV para terapia génica
Ahora los científicos del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard y la Harvard Medical School (HMS) informan de un enfoque para acelerar el proceso de fabricación de estos cápsides AAV mejorados, y para desarrollar virus aún mejores para la terapia génica.
Tomando un enfoque diferente y más sistemático para el problema de ingeniería de proteínas de la cápsida, el equipo muta uno por uno de cada uno de los 735 aminoácidos dentro de la cápsida de AAV2, el miembro más conocido de la familia de AAV, incluidas todas las posibles sustituciones, inserciones y codones de codones. eliminaciones en cada posición. Generaron una biblioteca de virus que contenía aproximadamente 200,000 variantes e identificaron cambios en la cápside que mantuvieron la viabilidad de AAV2 y mejoraron su potencial de «búsqueda» (tropismo) a órganos específicos en ratones. Inesperadamente, el equipo también descubrió una nueva proteína accesoria oculta dentro de la secuencia de ADN que codifica la cápside que se une a la membrana de las células diana. Sus hallazgos se informan en Science .
George Church, Photograph by Dina Rudick –
El equipo dirigido por el miembro de la facultad de Wyss Core, George Church, Ph.D., y su ex becario posdoctoral Eric Kelsic, Ph.D., desplegaron un arsenal avanzado de biología sintética que incluye síntesis de ADN, código de barras y capacidades de secuenciación de ADN de próxima generación para construir una de las bibliotecas de cápside AAV más completas para fecha. «Con la información generada por esta biblioteca, también pudimos diseñar cápsides con más mutaciones que las variantes naturales o sintéticas anteriores, y además con eficiencias de generación de cápsidas viables que superan con creces las de AAV creadas por enfoques de mutagénesis aleatoria», dijo Church, quien es líder de la plataforma de Biología Sintética del Instituto Wyss, y también el Profesor Robert Winthrop de Genética en el HMS y Profesor de Ciencias y Tecnología de la Salud en la Universidad de Harvard y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
Eric Kelsic
«Estas tecnologías de alto rendimiento combinadas con un diseño guiado por máquina sientan las bases para diseñar variantes de AAV superiores y altamente personalizadas para futuras terapias genéticas», dijo el coautor Eric Kelsic, Ph.D., quien ahora es CEO de Dyno Therapeutics. “Los enfoques anteriores, como el diseño racional o la mutagénesis aleatoria, tenían sus inconvenientes, ya sea limitado en el tamaño de la biblioteca o de baja calidad, respectivamente. El diseño guiado por máquina es un enfoque basado en datos para la ingeniería de proteínas. Aquí mostramos que incluso un modelo matemático simple, impulsado por suficientes datos, puede generar con éxito cápsidas sintéticas viables. Este enfoque iterativo y empírico para la ingeniería de proteínas nos permite obtener lo mejor de ambos mundos y generar grandes cantidades de variantes de cápsida de alta calidad «.
Ingeniería guiada por máquina de cápside AAV para terapia génica
El estudio de Wyss descubrió una nueva proteína (verde) expresada a partir de la secuencia de ADN que codifica la proteína de la cápside AAV. La proteína accesoria asociada a la membrana (MAAP) se conserva en los serotipos de AAV como se muestra aquí para cuatro versiones diferentes que se localizan en la membrana plasmática de las células infectadas. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard. Ingeniería guiada por máquina de cápside AAV para terapia génica
San Sinai, George Church, Eric Kelsic y Pierce Ogden
«Inesperadamente, los datos de alta resolución que generamos nos permitieron detectar una nueva proteína codificada por un marco de lectura diferente dentro de la secuencia de ADN de la cápside, que había pasado desapercibida a pesar de décadas de intensa investigación sobre el virus», dijo el coautor Pierce Ogden. , Ph.D., un ex estudiante de posgrado y ahora becario postdoctoral que trabaja con la Iglesia. “La proteína accesoria asociada a la membrana (MAAP), como la llamamos, existe en todos los serotipos de AAV más populares y creemos que juega un papel en el ciclo de vida natural del virus. Estudiar cómo funciona MAAP será un área emocionante para futuras investigaciones y podría conducir a una mejor comprensión de cómo producir y diseñar mejor las terapias genéticas AAV «.
Según el coautor Sam Sinai, Ph.D., un ex alumno graduado de Church, ahora un científico de Machine Learning en Dyno Therapeutics, «Esto revela la promesa de la ingeniería de proteínas basada en datos, en particular para proteínas como la cápside AAV que son difíciles de modelar con los enfoques computacionales actuales. Nuestros resultados son muy alentadores pero también son solo un primer paso. Usando estos datos y los de futuros experimentos, crearemos modelos de aprendizaje automático para optimizar las cápsidas y abordar una amplia variedad de desafíos de terapia génica «.
Kelsic, Sinai e Church son cofundadores de Dyno Therapeutics Inc., y todos poseen capital en la empresa.
“Este estudio es un hito en el esfuerzo de la plataforma de Biología Sintética del Instituto Wyss para avanzar la tecnología AAV al siguiente nivel. Este trabajo también es un gran ejemplo de cómo estamos comenzando a integrar el aprendizaje automático y los enfoques de inteligencia artificial en nuestra línea terapéutica «, dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber , MD, Ph.D., quien también es profesor de Vascular de Judah Folkman. Biología en HMS, el Programa de Biología Vascular en el Hospital de Niños de Boston, y Profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard.
Reportaje original
Wyss Institute researchers demonstrate machine-guided engineering of AAV capsids for gene therapy
El estudio fue financiado por el Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard y los Institutos Nacionales de Salud.
Una terapia génica mejora múltiples enfermedades asociadas a la edad