La biologia sintetica potrebbe accelerare la produzione di vaccini antinfluenzali

La biologia sintetica sta dando nuova vita al mondo antiquato della produzione di vaccini, alimentando la speranza che i produttori possano rilasciare i vaccini molto più rapidamente quando si verificano epidemie.

a un incontro sulla biologia sintetica tenutasi al MIT, la società farmaceutica Novartis ha affermato di aver sintetizzato genomi ibridi dell'influenza in un processo che potrebbe ridurre di settimane il tempo necessario per produrre vaccini. Quando emerge un nuovo ceppo influenzale, le agenzie governative inviano normalmente campioni ai produttori di vaccini, che coltivano un gran numero del patogeno nelle uova di gallina come materiale di partenza per i vaccini, afferma Philip Dormitzer , leader della ricerca sui vaccini virali per Novartis. Questo processo può richiedere mesi e può perdere il picco di un focolaio. Ma Novartis, lavorando con biologi sintetici, ha sviluppato un modo per sintetizzare chimicamente i genomi dei virus e farli crescere in cellule di coltura tissutale. Ciò consente di risparmiare tempo e può produrre vaccini più efficaci.

L'idea è di costruire un virus sintetico basato su dati di sequenza che possono essere distribuiti molto più rapidamente del materiale virale reale raccolto nel sito di un focolaio. Il genoma virale sintetico combina una spina dorsale genomica comune a molti virus influenzali con geni specifici per i ceppi osservati in un nuovo focolaio. Nel 2011, il team ha testato il suo metodo in risposta a un'epidemia fittizia di un virus dell'influenza aviaria (strettamente correlato al virus H7N9 che si sta attualmente diffondendo in Cina). A partire dalle 8:00 di lunedì di quell'anno, il team ha iniziato a sintetizzare chimicamente un genoma virale basato sui dati di sequenza, afferma Dormitzer. A mezzogiorno del venerdì successivo, il team aveva confermato di avere un virus vivo che cresceva nella coltura cellulare.

Fino a poco tempo, la maggior parte degli sforzi di biologia sintetica si sono concentrati sull'ingegneria dei batteri per produrre composti desiderabili come farmaci (vedi I microbi possono produrre in massa farmaci per la malaria) o carburante (vedi I batteri producono diesel dalla biomassa); non hanno coinvolto umani o altri mammiferi. Ma questo sta cambiando. La biologia sintetica dei mammiferi, che implica la modifica dei circuiti genetici dei mammiferi, è ancora in relativa infanzia, afferma Jim Collins , un biologo sintetico della Boston University. Ci sono solo una manciata di gruppi nello spazio, ed è molto difficile fare quell'ingegneria, dice.

In un altro lavoro descritto alla riunione di Cambridge, Pam Silver , un biologo sintetico della Harvard Medical School, ha presentato metodi per l'elaborazione basata su cellule, in cui le porte logiche possono essere costruite da proteine ​​ingegnerizzate. Un'applicazione di questi strumenti è un circuito genetico che consente alle cellule di ricordare se sono state esposte alle radiazioni, anche dopo che le radiazioni sono scomparse. Finora, lei e il suo team hanno costruito un circuito del genere nelle cellule di lievito, ma afferma che la tecnologia potrebbe trasferirsi alle cellule umane. Questa potrebbe essere una situazione utile in terapia ea lungo termine per i viaggi nello spazio, e anche semplicemente per riferire sulle esperienze delle cellule del corpo, dice Silver.

Alcuni sforzi per applicare la biologia sintetica alla salute si concentrano sulla programmazione delle cellule staminali in modo che si comportino come cellule naturali che sono state perse a causa della malattia. Douglas Melton , un biologo molecolare e cellulare dell'Università di Harvard, sta programmando le cellule staminali per sostituire le cellule sensibili al glucosio e produttrici di insulina perse nel diabete di tipo 1. Questa condizione di solito deriva da una reazione autoimmune contro le cellule beta del pancreas, che lascia il corpo senza insulina.

Melton e il suo laboratorio stanno lavorando a una tecnologia in cui le cellule beta e altre cellule coinvolte nella regolazione della glicemia potrebbero essere sostituite da raccolte incapsulate di cellule mature derivate da cellule staminali. La sfida sarà quella di produrre i tipi cellulari finali e differenziati utilizzando ormoni o altri segnali chimici per guidare il processo di sviluppo. Quello che si vuole capire è come istruire la cellula su quali geni dovrebbe attivare e disattivare, dice Melton.

Ma replicare i processi naturali dello sviluppo cellulare non è facile. Melton dice che il suo gruppo è in grado di produrre cellule beta che producono insulina, ma il processo è imperfetto. Circa la metà delle cellule fa quello che vuoi fare, dice. Non sappiamo come dire alle cellule di essere solo cellule beta. E le cellule beta coltivate non hanno la risposta finemente sintonizzata al glucosio che hanno le cellule del corpo: le cellule beta devono rilevare i livelli di glucosio e quindi spruzzare la giusta quantità di insulina, dice. Le nostre cellule risponderanno al glucosio, ma non con meccanismi di rilevamento accurati. Di solito scaricano l'insulina sul primo [segno] di glucosio.

Altri ricercatori sperano di progettare circuiti completamente nuovi nelle cellule per aiutare i pazienti diabetici. Martin Fussenegger , un bioingegnere dell'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia, ha descritto un sistema molecolare in cui le cellule vengono modificate con geni in grado di rilevare bassi livelli di pH nel sangue, segno di uno stato diabetico. In risposta, dice, le cellule ingegnerizzate produrranno insulina per regolare meglio i livelli di zucchero nel sangue e calmare lo stato diabetico.

Questo tipo di ingegneria in genere dipende dai virus per modificare i geni in modo che le cellule svolgano compiti utili. Ma quel metodo è rischioso: il DNA introdotto potrebbe integrarsi nel genoma in una posizione sfortunata che potrebbe portare al cancro. Harvey Lodish , un biologo cellulare del MIT, sta lavorando a una tecnologia che potrebbe evitare questo problema: globuli rossi prodotti in laboratorio. Dopo che queste cellule sono state modificate, espelleranno il virus nel corso del loro naturale processo di sviluppo.

La bellezza dei globuli rossi è che sono praticamente l'unica cellula del corpo senza nucleo, dice Lodish. Quando entrano in circolazione, hanno perso il loro DNA e sono stabili per 120 giorni senza rischio di tumori.

Nel metodo di Lodish, un retrovirus trasporta un nuovo gene nel genoma delle cellule progenitrici che alla fine produrranno globuli rossi. La cellula usa quel nuovo gene per produrre una versione modificata di proteine ​​che si trovano sulla superficie del globulo rosso maturo anche dopo che la cellula ha perso il suo DNA. La proteina di superficie modificata è stata progettata in modo che altri composti possano essere facilmente attaccati ad essa: anticorpi che potrebbero assorbire sostanze tossiche nel sangue o farmaci a piccole molecole per attaccare tumori o altre cellule malate. Lodish crede che la tecnologia sia un approccio più sicuro per utilizzare la biologia sintetica nel corpo umano.

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