CREAN NANOPOROS SELECTIVOS PARA SU FUTURO USO EN TERAPIA GÉNICA Y EN LA ADMINISTRACIÓN DE FÁRMACOS

Una célula viva está construida con barreras para impedir la entrada de moleculas del exterior y los investigadores están constantemente tratando de encontrar la manera de hacer pasar moléculas hacia dentro. El profesor Giovanni Maglia de la Universidad Católica de Lovaina y su equipo han diseñado unos nanoporos que actúan como unas puertas giratorias selectivas a través de la membrana lipídica de una célula. Los nanoporos podrían ser utilizados en la terapia génica y la entrega de fármacos.

Todas las células vivas están encerradas por una membrana lipídica que separa el interior de la célula del medio ambiente exterior. La afluencia de moléculas a través de la membrana celular está estrechamente regulada por proteínas de membrana que actúan como portales específicos para el tráfico de iones y nutrientes. Las proteínas de membrana también pueden ser utilizadas por las células como armas. Dichas proteínas atacan a una célula haciendo hoyos (nanoporos) en las membranas celulares de los enemigos. Los iones y moléculas escapan desde los agujeros, causando finalmente la muerte celular.

Los investigadores están tratando de utilizar nanoporos para hacer pasar ADN o proteínas a través de las membranas. Una vez dentro de una célula, la molécula de ADN podría reprogramar la célula para una acción particular. El profesor Maglia explica que ahora se es capaz de diseñar nanoporos biológicos, pero la parte difícil es la de controlar con precisión el paso de moléculas a través de los nanoporos. No se quiere que el nanoporo deje pasar todo; por el contrario, se quiere limitar la entrada de información genética específica en células específicas.

El Profesor Maglia y su equipo tuvieron éxito en el diseño de un nanoporo que funciona como una puerta giratoria para moléculas de ADN. Ellos han introducido una puerta giratoria selectiva para ADN en la cima de la nanoporos. Llaves específicas de ADN en solución se hibridan a la puerta de ADN y se transportan a través de la nanoporos. Una segunda llave de ADN en el otro lado de la nanoporos libera luego la información genética deseada. Un nuevo ciclo puede entonces comenzar con otra pieza de ADN siempre y cuando se tenga la llave correcta. De esta manera, el nanoporo actúa simultáneamente como un filtro y una cinta transportadora.

En otras palabras, se ha diseñado un sistema de transporte selectivo que se puede utilizar en el futuro para administrar medicamento en la célula. Esto podría ser de uso particular en la terapia génica, lo que implica la introducción de material genético en células degeneradas con el fin de desactivarlas o reprogramarlas. También podría ser utilizado en la entrega de fármacos, que implica la administración de la medicación directamente en la célula.

BACTERIAS GENÉTICAMENTE MODIFICADAS, POTENCIALES HERRAMIENTAS PARA LA PRODUCCIÓN DE AZÚCARES RAROS

La producción de azúcares raros ha sido muy costosa hasta ahora. Un estudio reciente de doctorado indica que su producción puede hacerse significativamente más eficiente con la ayuda de bacterias modificadas genéticamente. Esto reduce los precios y permite su uso más versátil en la medicina, por ejemplo.

La industria ya está haciendo uso de azúcares raros como edulcorantes bajos en calorías y como precursores de medicamentos anticancerígenos y antivirales. Sin embargo, su elevado coste ha impedido su investigación y  su uso: no es posible aislar cantidades significativas de azúcares raros directamente de la naturaleza, y por lo tanto su producción ha sido cara.

La eficiencia de la producción de azúcar se puede aumentar a través de la ingeniería genética. En su reciente tesis doctoral, Anne Usvalampi, estudió la producción microbiana de  tres azúcares raros: xilitol , L-xilulosa y L-xilosa con la ayuda de bacterias modificadas genéticamente.

Usvalampi afirma que han añadido algunos genes a las bacterias, por lo que producen las enzimas requeridas, y con su ayuda, los azúcares raros deseados. Los resultados fueron prometedores. La producción de xilitol fue considerablemente más eficiente que lo que previamente se ha logrado mediante el uso de bacterias, y la L-xilosa se ​​fabricó por primera vez sin grandes cantidades de subproductos. En comparación con la síntesis química, las bacterias demostraron ser significativamente mejores en la producción de L-xilulosa y L-xilosa.

Usvalampi y su grupo usaron como precursor la D-xilosa, que es una parte de la hemicelulosa que se puede extraer a partir de maderas duras. Este azúcar fue utilizado para la fabricación de xilitol con la ayuda de Lactococcus lactis, a la que el gen de la xilosa reductasa de la Pichia stipitis se le fue empalmado. A continuación, el xilitol se utiliza para producir L-xilulosa con Escherichia coli, a la que se le añadió el xilitol-4-deshidrogenasa de Pantoea ananatis. Por último, se utilizó L-xilulosa para producir L-xilosa con la ayuda de E. coli, en la que el gen L-fucosa isomerasa de la bacteria había sido sobreexpresado​​.

El xilitol es conocido por su efecto preventivo contra la caries, pero nuevos estudios indican que también es útil en la prevención de infecciones del oído en los niños. Anne Usvalampi cree que muchos nuevos usos se pueden encontrar para los azúcares raros, especialmente en la industria farmacéutica , una vez que sus precios puedan reducirse gracias a nuevos y más eficientes métodos de producción. Ya en la actualidad existe evidencia de que el azúcar rara manosa puede ser utilizado en el tratamiento de diversas infecciones y heridas.

CREAN BACTERIAS CON PROTEINAS A MANERA DE JERINGUILLAS MICROSCÓPICAS PARA LA INSERCIÓN DE PROTEÍNAS TERAPÉUTICAS A CÉLULAS HUMANAS

Científicos del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) del CSIC de España han obtenido una patente en los Estados Unidos que les permite utilizar bacterias no patógenas. Las bacterias (E.coli) modificadas tienen en su membrana unas proteínas a modo de jeringuilla con las que son capaces de inyectar anticuerpos de pequeño tamaño (nanoanticuerpos) y otras proteínas con potencial terapéutico (p.ej. enzimas) a células humanas, evitando de esta manera la barrera que representa la membrana plasmática de la célula. 

En el caso de usar nanoanticuerpos, estos se podrían unir dentro de la célula a una proteína diana que participase en un proceso patológico para inactivar su función. 

Para comprobar la viabilidad de esta tecnología, el grupo dirigido en el CNB por el doctor Luis Ángel Fernández introdujo estos nanoanticuerpos en el citoplasma de células humanas demostrando que se unían especificamente a su proteína diana.

Una de las principales ventajas de este sistema es que la producción de los nanoanticuerpos la realiza la propia bacteria de manera continua, lo que podría reducir el coste y el número de dosis necesario para administrar estos anticuerpos de forma efectiva. 

Fernández recalca además su seguridad, ya que la inyección de los anticuerpos por parte de E. coli no conlleva ni la invasión de la células por parte de las bacterias ni la transferencia de manterial genético, al contrario que lo que ocurre con virus modificados. 

El objetivo actual de este grupo de investigación es combinar estas jeringas moleculares en bacterias "probióticas" con nuevas modificaciones de forma que actuasen en el intestino y otras mucosas del organismo como auténticos "microrrobots" dirigidos tanto para la detección como el tratamiento in situ de lesiones de tipo inflamatorio o tumoral.

DISEÑAN NUEVA VÍA METABÓLICA PARA CONVERTIR MAS EFICIENTEMENTE LOS AZÚCARES EN BIOCOMBUSTIBLES

Investigadores de la UCLA, en Estados Unidos, han creado una nueva vía metabólica sintética para descomponer la glucosa que podría conducir a un aumento del 50% en la producción de biocombustibles.

La nueva vía está destinada a sustituir la vía metabólica natural conocida como glucólisis, una serie de reacciones químicas que casi todos los organismos utilizan para convertir los azúcares en los precursores moleculares que las células necesitan. La glucólisis convierte cuatro de los seis átomos de carbono que se encuentran en la glucosa en moléculas de dos átomos de carbono conocidas como acetil-CoA, un precursor para los biocombustibles como el etanol y butanol, así como de los ácidos grasos, aminoácidos y productos farmacéuticos. Sin embargo, los dos carbonos de glucosa restantes se pierden como dióxido de carbono.

La glucólisis se utiliza actualmente en biorefinerias para convertir los azúcares derivados de la biomasa vegetal en biocombustibles, pero la pérdida de dos átomos de carbono por cada seis se considera como una obstáculo importante en la eficiencia del proceso. La vía glucolítica sintética del equipo de investigación de la UCLA convierte los seis átomos de carbono de la glucosa en tres moléculas de acetil-CoA sin que se pierdan en dióxido de carbono.

El investigador principal es James Liao, quien afirma que esta vía sintética resolvió una de las limitaciones más importantes en la producción de biocombustibles y biorrefinería: la pérdida de un tercio del carbono.

Esta ruta sintética utiliza enzimas que se encuentran en varias vías distintas en la naturaleza.

El equipo la probó por primera vez y confirmó que la nueva vía trabajaba in vitro. Luego, manipularon genéticamente a bacterias E.coli para utilizar la nueva vía metabólica y demostraron la conservación completa de los carbonos. Las moléculas de acetil-CoA resultantes se pueden utilizar para producir un compuesto químico deseado con una mayor eficiencia de carbono. Los investigadores llamaron a su nueva vía híbrida como "glucólisis no oxidativa" o NOG .

Los investigadores también observaron que esta nueva vía de síntesis podría ser utilizada con muchos otros tipos de azúcares, que en cada caso tienen diferentes números de átomos de carbono por molécula, y ningún carbono se desperdiciaría.

Igor Bogorad, uno estudiante graduado del laboratorio de Liao, afirma que para biorefinación, una mejora del 50% en el rendimiento sería un enorme aumento y el NOG puede ser una buena plataforma con diferentes azúcares para una conversión del 100% a acetil-CoA. Además prevee que NOG tendrá aplicaciones de amplio alcance y abrirá nuevas posibilidades debido a la manera en que podemos conservar el carbono.

Los investigadores también sugieren que esta nueva vía podría ser utilizada en la producción de biocombustibles utilizando microorganismos fotosintéticos.

PRUEBAN VACUNAS ENCAPSULADAS EN NANOPARTÍCULAS PARA SU ADMINISTRACIÓN DIRECTA EN SUPERFICIES MUCOSAS

Muchos virus y bacterias infectan a los humanos a través de superficies mucosas, como aquellos en los pulmones, el tracto gastrointestinal y el tracto reproductivo. Para ayudar a combatir estos patógenos, los científicos están trabajando en vacunas que pueden establecer una línea de defensa en las superficies mucosas.

Actualmente las vacunas pueden ser administradas a los pulmones a través de un aerosol, pero los pulmones a menudo se deshacen de la vacuna antes de que pueda provocar una respuesta inmune. Para superar esto, los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo tipo de nanopartícula que protege a la vacuna un tiempo suficientemente largo para generar una respuesta inmune fuerte, no sólo en los pulmones, sino también en las superficies mucosas lejanas del sitio de vacunación, tales como el tracto gastrointestinal y reproductivo.
Estas vacunas pueden ayudar a proteger contra la influenza y otros virus respiratorios, o prevenir las enfermedades de transmisión sexual como el VIH, el virus del herpes simple y el virus del papiloma humano, dice Darrell Irvine, profesor del MIT y líder del equipo investigación. Él también está estudiando el uso de las partículas para ofrecer vacunas contra el cáncer y otras enfermedades infecciosas.
Sólo un puñado de vacunas para mucosas han sido aprobadas para uso humano, el ejemplo más conocido es la vacuna contra la polio "Sabin", que se administra por vía oral y se absorbe en el tracto digestivo.

Para crear mejores formas de administración de tales vacunas, Irvine y sus colegas se basaron en una nanopartícula que ellos desarrollaron dos años atrás  Los fragmentos de proteína que componen la vacuna están encerradas en una esfera de varias capas de lípidos que químicamente están unidas la una a la otra, haciendo a las partículas más duraderas en el interior del cuerpo.

Esto permite a las partículas resistir la desintegración una vez que alcanzan los pulmones. Con este embalaje más resistente, la vacuna de proteína permanece en los pulmones el tiempo suficiente para que las células inmunitarias recubran la superficie de los pulmones las agarren y entreguen a las células T. La activación de las células T es un paso crítico para que el sistema inmune forme una memoria de las partículas de la vacuna.
En estudios con ratones, los investigadores encontraron que los antígenos del VIH o cáncer encapsulados en nanopartículas fueron absorbidos por las células inmunes con mucho más éxito que aquellas sin ser encapsuladas en nanopartículas.

El VIH no infecta a los ratones, por lo que para poner a prueba la respuesta inmune generada por las vacunas, los investigadores infectaron los ratones con una versión del vaccinia virus (VV) que fue diseñado para producir la proteína del VIH.

Los ratones vacunados con nanopartículas fueron capaces de contener rápidamente el virus y evitar que se escapen a los pulmones. VV se propaga a los ovarios antes de la infección, pero los investigadores encontraron que el VV en los ovarios de los ratones vacunados con nanopartículas fue indetectable, mientras que las concentraciones virales importantes se encontraron en ratones que recibieron otras formas de la vacuna.

Los ratones que recibieron la vacuna de nanopartículas perdieron una pequeña cantidad de peso después de la infección, pero luego se recuperaron completamente, mientras que era 100 por ciento letal para los ratones que recibieron la vacuna no encapsulada.

Los investigadores también encontraron una fuerte presencia de células T de memoria en las superficies mucosas distantes, incluso en los tractos digestivo y reproductivo. Irvine advierte además que a pesar de que la inmunidad en las mucosas distantes después de la vacunación en una superficie mucosa también se ​​ha visto en los seres humanos, todavía se está indagando si los patrones observados en ratones se reproducen completamente en humanos.

Las partículas también mantienen la promesa para la administración de vacunas contra el cáncer. Para probar esto, los investigadores implantaron en los ratones tumores de melanoma que fueron diseñados para expresar la ovoalbúmina. Tres días más tarde, se vacunaron los ratones con ovoalbúmina. Ellos encontraron que los ratones que recibieron la vacuna en nanopartículas rechazaron por completo los tumores, mientras que los ratones que recibieron la vacuna no recubierta, no lo hicieron.

Otros estudios deben realizarse con tumores más difíciles, dice Irvine. En el futuro, las pruebas con vacunas dirigidas a las proteínas expresadas por las células cancerosas serían necesarias.