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Apoyo al desarrollo terapéutico con biología sintética

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Apoyo al desarrollo terapéutico con biología sintética

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La aplicación de la biología sintética se ha expandido rápidamente en el último decenio debido al costo reducido y los avances en la síntesis y secuenciación del ADN, la mejora del conocimiento de la organización del genoma y el mayor uso de la ciencia de datos. Puede utilizarse para diseñar nuevos métodos biológicoso rediseñe los existentes para exhibir propiedades deseables y nuevas funcionalidades para varios propósitos en una variedad de campos, incluidos el diagnóstico, la fabricación, la agricultura y la terapéutica.

El desarrollo de la terapéutica es a
lento, caro y proceso desafiante. El éxito acumulativo de desarrollar un fármaco, que sea eficaz y seguro, desde la Fase I hasta el lanzamiento es bajo ~ 90% de los fármacos candidatos que llegan desarrollo clínico temprano falla .Como tal, existe un gran incentivo para explotar la promesa de la biología sintética en el desarrollo de fármacos, para aumentar las posibilidades de que un producto terapéutico llegue al mercado, de modo que pueda beneficiar a los pacientes en un entorno del mundo real.Este artículo discutirá cómo se pueden aplicar los principios de la biología sintética en varias etapas del desarrollo terapéutico, desde dilucidar los mecanismos de la enfermedad e identificar los objetivos de los fármacos hasta producir terapias a escala.

Descubrimiento de productos naturales mediante la identificación de nuevos grupos de genes


Los productos naturales son compuestos químicos con actividad farmacológica o biológica que son producidos por organismos en la naturaleza y pueden usarse como fuente de nuevos medicamentos. Los productos naturales son más complejos que las moléculas de medicamentos sintetizadas químicamente. Sin embargo, la creciente investigación está abordando desafíos relacionados consu aislamiento, optimización y síntesis.

“Los productos naturales son fuentes históricamente incomparables para el descubrimiento de fármacos. Sin embargo, su baja accesibilidad, como problemas de suministro y síntesis analógica, impide que [se utilicen] para el desarrollo de fármacos en empresas farmacéuticas. Por lo tanto, nuestra motivación es desarrollar métodos queresolver los problemas anteriores y permitirnos utilizar de manera eficiente productos naturales para el descubrimiento de fármacos mediante el uso de un enfoque de biología sintética ”, dijo Teigo Asai, profesor de la Escuela de Graduados en Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de Tohoku.

los enfoques de biología sintética se pueden combinar con
minería del genoma para descubrir nuevos grupos de genes biosintéticos a partir de medicamentos naturales.

¿Qué es un grupo de genes biosintéticos?


A grupo de genes biosintéticos
es un grupo de dos o más genes dentro del genoma de un organismo vivo que, juntos, codifican una vía biosintética para la producción de un metabolito especializado. Este metabolito puede poseer propiedades terapéuticas y podría utilizarse como un producto farmacéutico natural.


Usando biología sintética, Asai y colegas
identificado ese hongo es una fuente rica de diversos productos naturales, cuya fabricación puede ser un desafío químicamente en grandes cantidades. Un ejemplo son las pryonas diterpenoides que contienen decalina DDP, un tipo de producto natural meroterpenoide, que se ha mostrado prometedor contra las actividades proliferativasde células cancerosas.

Utilizando la minería del genoma, el equipo identificó grupos de genes DDP putativos en hongos, diseñó cinco rutas de esos grupos y las reconstruyó paso a paso en un huésped heterólogo: el hongo filamentoso Aspergillus oryzae NSAR1. Estos grupos de genes biosintéticos se derivan de organismos no cultivables, por lo que es necesaria la expresión heteróloga en un hospedador establecido. La biología sintética también es crucial para generar bien caracterizados
organismos de chasis , me gusta Aspergillus oryzae, que puede manipularse genéticamente para facilitar la producción de fármacos.

Asai et al. Introdujeron enzimas de modificación adicionales en estas vías para generar 22 DDP, de los cuales 15 análogos no se habían informado anteriormente. Finalmente, probaron los análogos de DDP, descubriendo candidatos que pueden inhibir la proliferación de células madre cancerosas, suprimir el VIH y prevenirFormación de beta amiloide. Al discutir el poder de la biología sintética en este contexto, Asai dijo: “En esta investigación, mostramos que la biosíntesis combinatoria basada en el rediseño de vías biosintéticas es ventajosa para expandir racionalmente el espacio químico de productos naturales biológicamente activos.También demostramos que la biblioteca es útil para descubrir moléculas biológicamente activas ”.

El mismo equipo dirigido por Asai llevó a cabo recientemente la extracción del genoma de hongos y encontró un grupo de genes biosintéticos de macrólidos putativos una clase de productos naturales. Usando espectroscopía vibracional y el método de la esponja cristalina para determinar la estereoquímica del compuesto producido, propusieron suvía biosintética. Este estudio mostró además que a través de enfoques sintéticos, las células pueden transformarse genéticamente para producir moléculas bioquímicas estructuralmente complejas.

Asai explicó: “Actualmente estamos expandiendo nuestra metodología a otros tipos de productos naturales para construir una gama de bibliotecas de productos naturales para encontrar 'semillas' de medicamentos especialmente para el cáncer refractario y enfermedades infecciosas intratables. Además, estamos descubriendo y produciendo productos naturales con estructuras y actividades biológicas novedosas a partir de recursos genéticos mediante el uso de métodos de biología sintética ”.

Cómo la ingeniería del genoma escalable puede mejorar los resultados con un flujo de trabajo automatizado

Muchos de los medicamentos de los que dependemos para la salud humana y animal se basan en compuestos derivados de la naturaleza, que a menudo son difíciles de encontrar, de extraer o de pureza variable en fuentes naturales. Estas limitaciones pueden obstaculizar la producción y amenazar el acceso atratamientos necesarios. Descargue este libro electrónico para descubrir un sistema de sobremesa automatizado que le permite diseñar, diseñar, evaluar y realizar un seguimiento de los resultados de la edición mientras se integra fácilmente en los flujos de trabajo establecidos.

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Validación de dianas terapéuticas


Una de las herramientas de biología sintética más valiosas en la validación de objetivos es la agrupación de repeticiones palindrómicas cortas regularmente espaciadas
-Cas CRISPR -Cas edición del genoma, que recibió la Premio Nobel de Química 2020 .

usando CRISPR
enfoques de edición del genoma , los investigadores han creado líneas celulares que son más fisiológicamente y más relevantes para la enfermedad, mejorando el paso de validación del objetivo del descubrimiento de fármacos antes del desarrollo clínico y preclínico. Además, el uso bibliotecas CRISPR en matriz , los investigadores también han realizado pruebas de detección a gran escala en todo el genoma para eliminar genes e identificar sus funciones en la fisiología celular y el desarrollo de enfermedades p. Ej., Cáncer.

Un estudio publicado en
Medicina traslacional científica demostró que las dianas terapéuticas de algunos medicamentos contra el cáncer en investigación no son en realidad esenciales para el crecimiento del tumor a pesar de informes anteriores usando Interferencia de ARN e inhibidores de moléculas pequeñas. Los investigadores utilizaron enfoques basados ​​en CRISPR-Cas9 para investigar las interacciones fármaco-objetivo para la terapéutica del cáncer en varias etapas de desarrollo. Descubrieron que la eficacia de los fármacos no se veía afectada por la pérdida de los fármacos propuestos.objetivos , lo que sugiere que los genes habían sido inicialmente identificado erróneamente como objetivos.

la edición de genes CRISPR también se puede utilizar para identificar mutaciones que confiere resistencia a las drogas Corynn Kasap y sus colegas de la Universidad de Rockefeller desarrollaron un enfoque que combina la edición del genoma CRISPR-Cas9 con la detección de alto rendimiento para investigar el mecanismo de acción de las terapias contra el cáncer, incluidas ispinesib , un inhibidor selectivo de moléculas pequeñas y el fármaco citotóxico YM155 bromuro de sepantronio . Al hacerlo, pudieron explore, utilizando líneas celulares cancerosas, si es probable que los mecanismos produzcan resistencia a los medicamentos. Sus hallazgos se publicaron en Biología química de la naturaleza .

Optimización de la eficacia del fármaco


Como parte del proceso de desarrollo, un compuesto farmacológico identificado como de valor terapéutico se refina posteriormente para producir compuestos con mayor potencia y mejor selectividad
como parte de optimización hit-to-lead y lead. Esto se puede lograr usando química medicinal , a través de rondas iterativas de modificaciones químicas para comprender mejor las relaciones estructura-actividad y la estabilidad metabólica. La evolución dirigida basada en la mutagénesis como la reacción en cadena de la polimerasa propensa a errores y la selección se utiliza a menudo como un enfoque para desarrollar moléculas codificadas genéticamente comocomo proteínas. Algunas herramientas de biología sintética desarrolladas recientemente para la evolución dirigida incluyen in vivo evolución continua en levaduras, citidina desaminasa inducida por activación de CRISPR AID y OrthoRep que se basa en un par ortogonal ADN-polimerasa-plásmido.

Ingeniería rápida de vías metabólicas de plantas en levadura utilizando fragmentos de genes sintéticos

Los medicamentos derivados de plantas son propensos a la escasez porque sus cadenas de suministro basadas en la agricultura son vulnerables a factores geopolíticos y ambientales. La recreación de la biosíntesis de estos medicamentos en un organismo escalable como la levadura de panadería proporcionaría una alternativa económica al cultivo de plantas que es resistente adisrupciones regionales y globales y escalable para satisfacer las demandas globales. Descargue esta nota de la aplicación para descubrir cómo los fragmentos de genes pueden reducir el tiempo que se tarda en seleccionar clones y eliminar un cuello de botella crítico en el flujo de trabajo de ingeniería.

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Produciendo terapias a escala


La producción escalable de un fármaco candidato es crucial para llevarlo al mercado. Las técnicas CRISPR pueden ser útiles para diseñar genéticamente microorganismos del chasis como Escherichia coli y hongos que pueden cultivarse en biorreactores a gran escala. Las levaduras suelen ser el "chasis de elección" para la fermentación de fármacos, ya que poseen varios características ventajosas por ejemplo, pueden albergar una amplia colección de herramientas genéticas y requieren medios de crecimiento económicos para prosperar. Investigadores de la Universidad de Stanford Prashanth Srinivasan y Christina D. Smolke , resaltado recientemente pulg Naturaleza , el uso de levadura como plataforma de biosíntesis para facilitar el descubrimiento de derivados de alcaloides de tropano. Los alcaloides de tropano son muy prometedores como agentes terapéuticos para enfermedades neurológicas.

Si bien las técnicas de biología sintética están bien establecidas en la levadura, los juegos de herramientas genéticos basados ​​en CRISPR desarrollados para la ingeniería de células de mamíferos no se adaptan fácilmente a otros microorganismos como E. coli.

¿Qué es un chasis?


A chasis es un organismo que puede albergar componentes genéticos y proporciona un entorno que les permite funcionar. Por lo general, se utilizan porque sus genomas se entienden mejor y / o tienen una red metabólica que les permite sintetizar eficazmente los productos deseados.


Eriko Takano ,
profesor de biología sintética en la Universidad de Manchester y colegas recientemente construido un conjunto de herramientas CRISPR-Cas12a que puede integrar grandes fragmentos de ADN, como rutas metabólicas completas, en el genoma del hospedador en un solo paso 8,4 kpb. La técnica también permite la deleción o integración del genoma con aproximadamente un 80% y un 50% de eficiencia, respectivamente, sin el uso de un marcador genético que aumenta el tamaño del plásmido. Además, se produce una represión transcripcional robusta de los genes diana con una eficacia> 90% en un solo paso de clonación.

“Mi grupo estudia ingeniería metabólica de Streptomyces coelicolor para la producción de antibióticos. Para hacer esto de manera eficiente, necesitamos agregar y eliminar una gran cantidad de genes rápidamente. El nuevo método CRISPR-Cas9 sería perfecto para este propósito ya que es eficiente, pero originalmente no funcionó S. Coelicolor ya que requiere una optimización cuidadosa para cada cepa bacteriana. Mostramos en el artículo que la optimización se puede lograr ajustando la expresión de Cas9. Descubrimos que niveles demasiado altos de expresión de Cas9 pueden volverse tóxicos para algunas bacterias, como S. Coelicolor , mientras que los niveles demasiado bajos impiden que el sistema funcione, e identificaron el punto óptimo específico de la especie de las expresiones Cas9 en cada caso ”, dijo
Takano . La biología sintética está marcando el comienzo de una nueva era de biofabricación utilizando microorganismos transformados que funcionan como "fábricas químicas".

“En este momento, estamos expandiendo este sistema CRISPR-Cas9 a otros parientes de S. Coelicolor , incluidos los actinomicetos raros, que son un rico reservorio de antibióticos novedosos. Ser capaz de aplicar estos métodos eficientes de edición del genoma a una amplia gama de especies diferentes nos dará un acceso más rápido a estos nuevos compuestos, acelerando nuestro proceso para la expresión heteróloga degrupos de genes de biosíntesis de metabolitos secundarios ”, agregó Takano.

Análisis cuantitativo rápido de muestras de caldo de fermentación

El objetivo de la biología sintética es diseñar microbios para crear un producto deseado; por lo tanto, la eficiencia de producción debe optimizarse mediante la selección de las condiciones ambientales adecuadas y la cepa de mayor producción del organismo. Descargue esta nota de la aplicación para descubrir un sistema quelogra un alto rendimiento para el cribado, requiere una preparación mínima de la muestra y permite la diferenciación entre pequeñas diferencias de concentración de producto.

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Desafíos y conclusiones


A pesar de las promesas de la biología sintética para el desarrollo terapéutico, es importante reconocer algunas de las restantes
desafíos . En primer lugar, la estandarización de los módulos genéticos puede ser un desafío y no se puede simplemente "conectar y reproducir" en varios sistemas celulares. Esto se complica aún más por la comprensión insuficiente de cómo modelar organismos de chasis. Por lo tanto, el esfuerzo se está dirigiendo hacia la capacidad deconstruir una célula "de abajo hacia arriba" mediante la identificación del conjunto mínimo de genes necesarios para la viabilidad celular. En segundo lugar, los circuitos genéticos introducidos en las células pueden no ser permanentes y estables debido a las influencias ambientales. Esto puede conducir a la variabilidad de un lote a otro,lo que podría comprometer la evaluación y producción de medicamentos.

En tercer lugar, además del genoma codificante, existe el elemento no codificante, que también desempeña un papel en la regulación de la expresión génica; sin embargo, este proceso requiere más estudio. Por último, a diferencia de un sistema de ingeniería en el que las partes se pueden transferir fácilmente con una ligera modificación, los componentes biológicos pueden no ser fácilmente transferibles entre los organismos del chasis, ya que generalmente no son ortogonales y pueden interactuar con genes, proteínas y metabolitos del chasis.

Como se describe, la biología sintética es una herramienta prometedora para el desarrollo terapéutico, tanto en terapias biológicas como sintetizadas químicamente.
A medida que el “conjunto de herramientas” de biología sintética continúa expandiéndose y se abordan los desafíos, podemos esperar que este enfoque desate su impacto en varias etapas de descubrimiento y desarrollo terapéutico en los próximos años.

Automatización de laboratorio para flujos de trabajo de biología sintética

La biología sintética es un campo interesante que tiene como objetivo construir entidades biológicas novedosas y rediseñar sistemas biológicos existentes aplicando principios de diseño e ingeniería. Los biólogos sintéticos enfrentan desafíos debido a la complejidad y comprensión limitada de los sistemas biológicos. Descargue esta guía para obtener más información sobrecómo la automatización puede reducir los errores humanos y aumentar la variedad y el número de experimentos que se pueden realizar simultáneamente.

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Conozca al autor
Andy Tay, PhD
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