Un equipo colaborativo dirigido por el Instituto Wyss de Harvard ha sido pionero en una innovadora plataforma de biología sintética para diseñar biosensores fluorescentes de alto contraste, prometiendo avances significativos en el diagnóstico de enfermedades y el monitoreo ambiental.
En un avance fundamental para el diagnóstico médico y el control de la salud ambiental, los investigadores dirigidos por el Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología de Harvard han desarrollado una plataforma innovadora que simplifica la creación de biosensores fluorescentes de alta eficiencia. Estos biosensores, que pueden detectar proteínas, péptidos y moléculas pequeñas específicas al aumentar drásticamente su fluorescencia al unirse a los objetivos, representan un gran avance en la biología sintética.
Los biosensores, dispositivos que utilizan moléculas biológicas para identificar sustancias específicas, tienen amplias aplicaciones en la detección de biomarcadores de enfermedades, el monitoreo de procesos biológicos y la identificación de toxinas ambientales.
Sin embargo, los biosensores fluorescentes tradicionales enfrentan desafíos debido a sus sondas fluorescentes siempre activas, lo que requiere pasos de lavado exhaustivos para aislar señales precisas.
Los nanosensores fluorescentes activados por unión desarrollados recientemente superan estos obstáculos al encenderse únicamente cuando se une al objetivo. Este enfoque transformador mejora el contraste de estos biosensores, haciéndolos más eficientes y prácticos para aplicaciones del mundo real.
“Hemos trabajado durante mucho tiempo en la expansión del código genético de las células para dotarlas de nuevas capacidades que permitan la investigación, la biotecnología y la medicina en diferentes áreas, y este estudio es una extensión muy prometedora de este esfuerzo in vitro”, dijo en un comunicado George Church, profesor de genética en la Escuela de Medicina de Harvard y profesor de ciencias y tecnología de la salud en Harvard y el MIT y autor principal del estudio. comunicado de prensa.
La clave de este avance reside en nuevos aminoácidos fluorogénicos (FgAA) integrados en secuencias de proteínas pequeñas que se unen a dianas mediante una innovadora técnica de expansión del código genético. Este proceso, combinado con la selección, validación y evolución dirigida de sensores de alto rendimiento, permite la producción rápida y rentable de biosensores de alto contraste.
Church destacó el potencial disruptivo de la plataforma para beneficiar a numerosos campos biomédicos. La plataforma puede transformar aglutinantes de proteínas en nanosensores con una velocidad notable, aumentando la fluorescencia hasta 100 veces en menos de un segundo, lo que supone una mejora significativa con respecto a las tecnologías existentes.
“Esta novedosa plataforma de biología sintética resuelve muchos de los obstáculos que impedían la mejora de las proteínas con nuevas químicas, como lo ejemplifican los biosensores instantáneos más capaces, y está preparada para tener un impacto en muchas áreas biomédicas”, añadió Church.
Erkin Kuru, investigador del Laboratorio Church del Departamento de Genética de Harvard y coautor principal y coautor correspondiente, destacó el progreso del equipo durante la pandemia, imaginando inicialmente un "diagnóstico instantáneo de COVID-19" mediante la creación de nanosensores dirigidos a la proteína Spike del SARS-CoV-2.
Luego, el equipo amplió el uso de su plataforma para diseñar nanosensores para diversos objetivos moleculares, demostrando su versatilidad y su impacto potencial en el diagnóstico y el desarrollo terapéutico.
Además, la segunda iteración de la plataforma mejora significativamente las capacidades de alto rendimiento mediante el uso de procesos libres de células diseñados y aminoácidos sintéticos prefabricados con estructuras fluorogénicas, acelerando la síntesis y prueba de millones de candidatos a nanosensores a la vez.
"Queríamos expandir mucho más nuestro espacio de diseño molecular aumentando las capacidades de alto rendimiento de la plataforma", agregó Kuru, lo que lograron modernizando el ribosoma para incorporar aminoácidos sintéticos, lo que permitió una rápida producción de nanosensores y una aplicación inmediata sin pasos de purificación adicionales.
El equipo de investigación empleó la evolución dirigida para refinar aún más los nanosensores, optimizando su afinidad y especificidad para objetivos distintos, incluidas variantes más nuevas del virus SARS-CoV-2.
“Este es un importante paso adelante en nuestra capacidad para diseñar rápidamente biosensores fluorescentes de bajo costo para el monitoreo de enfermedades en tiempo real y con un enorme potencial para el diagnóstico y la medicina de precisión”, dijo Marc Vendrell, experto en química traslacional e imágenes biomédicas de la Universidad de Edimburgo y coautor correspondiente, en el comunicado de prensa.
El impacto de esta tecnología promete redefinir las estrategias diagnósticas y terapéuticas, ofreciendo soluciones más rápidas, eficientes y rentables a desafíos biomédicos complejos.
El estudio, publicado en la revista Nature Communications, incluye contribuciones de los investigadores Subhrajit Rout, Isaac Han, Abigail Reese, Thomas Bartlett, Fabio De Moline y otros.