O nouă platformă dezvoltată la Scripps Research permite evoluția rapidă și scalabilă a proteinelor, deschizând calea către noi terapii și diagnostice și către predicția mutațiilor de rezistență în multe domenii ale bolilor, arată Science Daily.

Astfel, oamenii de știință au construit un „motor” de evoluție rapidă care poate crea proteine noi și îmbunătățite în doar câteva zile, cu un potențial enorm pentru medicină.

Noul „motor de evoluție” creează superproteine de 100.000 de ori mai rapide

Cercetătorii de la Scripps au creat T7-ORACLE, un nou instrument puternic care accelerează evoluția, permițând oamenilor de știință să proiecteze și să îmbunătățească proteinele de mii de ori mai repede decât natura. Folosind bacterii modificate genetic și un sistem de replicare virală modificat, această metodă poate crea noi versiuni de proteine în câteva zile, în loc de luni. În cadrul testelor, a produs rapid enzime care puteau supraviețui dozelor extreme de antibiotice, demonstrând cum ar putea contribui la dezvoltarea de medicamente mai bune, tratamente împotriva cancerului și alte descoperiri revoluționare mult mai repede decât până acum, scrie Science Daily.

În medicină și biotehnologie, capacitatea de a evolua proteine cu funcții noi sau îmbunătățite este crucială, dar metodele actuale sunt adesea lente și laborioase. Acum, oamenii de știință de la Scripps Research au dezvoltat o platformă de biologie sintetică care accelerează evoluția în sine, permițând cercetătorilor să evolueze proteine cu proprietăți noi și utile de mii de ori mai repede decât natura. Sistemul, numit T7-ORACLE, a fost descris în revista Science pe 7 august 2025 și reprezintă o descoperire revoluționară în modul în care cercetătorii pot proiecta proteine terapeutice pentru cancer, neurodegenerare și, în esență, orice altă zonă de boală.

„Este ca și cum am da evoluției un buton de derulare rapidă”, spune coautorul principal Pete Schultz, președinte și director executiv al Scripps Research, unde deține și funcția de președinte L.S. „Sam” Skaggs. „Acum puteți evolua proteine în mod continuu și precis în interiorul celulelor, fără a deteriora genomul celulei sau a necesita pași laborioși.”

Evoluția dirijată, proces de laborator

Evoluția dirijată este un proces de laborator care implică introducerea de mutații și selectarea variantelor cu funcții îmbunătățite pe parcursul mai multor cicluri. Este utilizată pentru a adapta proteinele cu proprietățile dorite, cum ar fi anticorpii cu afinitate ridicată și selectivitate ridicată, enzimele cu noi specificități sau proprietăți catalitice, sau pentru a investiga apariția mutațiilor de rezistență în țintele medicamentelor.

Cu toate acestea, metodele tradiționale necesită adesea runde repetate de manipulare și testare a ADN-ului, fiecare rundă durând o săptămână sau mai mult. Sistemele de evoluție continuă – în care proteinele evoluează în interiorul celulelor vii fără intervenție manuală – au ca scop simplificarea acestui proces, permițând mutații și selecții simultane cu fiecare rundă de diviziune celulară (aproximativ 20 de minute pentru bacterii). Dar abordările existente au fost limitate de complexitatea tehnică sau de ratele modeste de mutație.

T7-ORACLE ocolește aceste obstacole prin ingineria bacteriei E. coli – un organism model standard în biologia moleculară – pentru a găzdui un al doilea sistem artificial de replicare a ADN-ului derivat din bacteriofagul T7, un virus care infectează bacteriile și care a fost studiat pe larg pentru sistemul său de replicare simplu și eficient. T7-ORACLE permite hipermutația continuă și evoluția accelerată a biomacromoleculelor și este conceput pentru a fi aplicabil pe scară largă la multe ținte proteice și provocări biologice.

Conceptual, T7-ORACLE se bazează pe și extinde eforturile sistemelor de replicare ortogonale existente – ceea ce înseamnă că acestea funcționează separat de mecanismul propriu al celulei – precum OrthoRep în Saccharomyces cerevisiae (drojdie de panificație) și EcORep în E. coli. În comparație cu aceste sisteme, T7-ORACLE beneficiază de combinația dintre mutageneză ridicată, creștere rapidă, eficiență ridicată de transformare și ușurința cu care atât gazda E. coli, cât și plasmidul replicon circular pot fi integrate în fluxurile de lucru standard ale biologiei moleculare.

Sistemul ortogonal T-7 ORACLE vizează numai ADN-ul plasmidic (bucăți mici, circulare de material genetic), lăsând genomul gazdei celulare neatins. Prin modificarea ADN polimerazei T7 (o enzimă virală care replică ADN-ul) pentru a fi predispusă la erori, cercetătorii au introdus mutații în genele țintă la o rată de 100.000 de ori mai mare decât în mod normal, fără a deteriora celulele gazdă.

„Acest sistem reprezintă un progres major în evoluția continuă”, spune coautorul Christian Diercks, profesor asistent de chimie la Scripps Research. „În loc de o rundă de evoluție pe săptămână, obții o rundă de fiecare dată când celula se divide, ceea ce accelerează cu adevărat procesul.”

Pentru a demonstra puterea T7-ORACLE, echipa de cercetare a introdus în sistem o genă comună de rezistență la antibiotice, TEM-1 β-lactamază, și a expus celulele E. coli la doze crescânde de diverse antibiotice. În mai puțin de o săptămână, sistemul a dezvoltat versiuni ale enzimei care puteau rezista la niveluri de antibiotice de până la 5.000 de ori mai mari decât cele originale. Această dovadă a conceptului a demonstrat nu numai viteza și precizia T7-ORACLE, ci și relevanța sa în lumea reală, replicând modul în care se dezvoltă rezistența ca răspuns la antibiotice.

„Partea surprinzătoare a fost cât de mult se potriveau mutațiile pe care le-am observat cu mutațiile de rezistență din lumea reală găsite în mediul clinic”, observă Diercks. „În unele cazuri, am observat combinații noi care funcționau chiar mai bine decât cele pe care le-ai vedea într-o clinică.”

Dar Diercks subliniază că studiul nu se concentrează pe rezistența la antibiotice în sine.

„Acesta nu este un articol despre TEM-1 β-lactamază”, explică el.

„Acel gen a fost doar un punct de referință bine caracterizat pentru a arăta cum funcționează sistemul. Ce contează este că acum putem evolua practic orice proteină, cum ar fi țintele medicamentelor împotriva cancerului și enzimele terapeutice, în câteva zile în loc de luni.”

Potențialul mai larg al T7-ORACLE rezidă în adaptabilitatea sa ca platformă pentru ingineria proteinelor. Deși sistemul este încorporat în E. coli, bacteria servește în primul rând ca un recipient pentru evoluția continuă. Oamenii de știință pot insera gene provenite de la oameni, viruși sau alte surse în plasmide, care sunt apoi introduse în celulele E. coli. T7-ORACLE mută aceste gene, generând proteine variante care pot fi selectate pentru o funcție îmbunătățită. Deoarece E. coli este ușor de cultivat și utilizat pe scară largă în laboratoare, acesta oferă un sistem convenabil și scalabil pentru evoluția practic a oricărei proteine de interes.

Acest lucru ar putea ajuta oamenii de știință să evolueze mai rapid anticorpii pentru a viza anumite tipuri de cancer, să evolueze enzime terapeutice mai eficiente și să proiecteze proteaze care vizează proteinele implicate în cancer și boli neurodegenerative.

„Ceea ce este interesant este că nu se limitează la o singură boală sau la un singur tip de proteină”, spune Diercks. „Deoarece sistemul este personalizabil, puteți introduce orice genă și o puteți evolua către orice funcție aveți nevoie.”

Mai mult, T7-ORACLE funcționează cu culturi standard de E. coli și fluxuri de lucru de laborator utilizate pe scară largă, evitând protocoalele complexe necesare altor sisteme de evoluție continuă.

„Principalul lucru care îl diferențiază este ușurința cu care poate fi implementat”, adaugă Diercks. „Nu sunt necesare echipamente specializate sau expertiză. Dacă lucrați deja cu E. coli, probabil puteți utiliza acest sistem cu ajustări minime.”

T7-ORACLE reflectă obiectivul mai larg al lui Schultz: reconstruirea proceselor biologice cheie – precum replicarea ADN-ului, transcripția ARN-ului și translația proteinelor – astfel încât acestea să funcționeze independent de celula gazdă. Această separare permite oamenilor de știință să reprogrameze aceste procese fără a perturba activitatea celulară normală. Prin decuplarea proceselor fundamentale de genom, instrumente precum T7-ORACLE contribuie la progresul biologiei sintetice.

„În viitor, suntem interesați să utilizăm acest sistem pentru a dezvolta polimeraze care pot replica acizi nucleici complet nenaturali: molecule sintetice care seamănă cu ADN-ul și ARN-ul, dar cu proprietăți chimice noi”, spune Diercks. „Acest lucru ar deschide posibilități în genomica sintetică pe care abia începem să le explorăm.”

În prezent, echipa de cercetare se concentrează pe dezvoltarea enzimelor derivate din organismul uman pentru uz terapeutic și pe adaptarea proteazelor pentru a recunoaște secvențe proteice specifice legate de cancer.

„Abordarea T7-ORACLE combină cele mai bune aspecte ale ambelor lumi”, spune Schultz. „Acum putem combina proiectarea rațională a proteinelor cu evoluția continuă pentru a descoperi molecule funcționale mai eficient ca niciodată.”