Ett team av forskare från University of Toronto Engineering och University of Michigan har redesignat och förstärkt ett naturligt enzym som visar lovande för att främja återväxt av nervvävnad efter skada.

Deras nya version är mer stabil än proteinet som förekommer i naturen, och kan leda till nya behandlingar för att vända nervskador orsakade av traumatisk skada eller stroke.

"Stroke är den vanligaste orsaken till funktionshinder i Kanada och den tredje ledande dödsorsaken, "säger University of Toronto Engineering professor Molly Shoichet, seniorförfattare om en ny studie publicerad i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

"En av de stora utmaningarna att läka efter denna typ av nervskada är bildandet av ett glialärr."

Ett glialärr bildas av celler och biokemikalier som stickas ihop tätt runt den skadade nerven. På kort sikt, denna skyddande miljö skyddar nervcellerna från ytterligare skada, men på lång sikt kan det hämma nervreparationen.

För ungefär två decennier sedan, forskare upptäckte att ett naturligt enzym som kallas kondroitinas ABC - producerat av en bakterie som heter Proteus vulgaris - selektivt kan bryta ned några av de biomolekyler som utgör glialärret.

Genom att ändra miljön runt den skadade nerven, kondroitinas ABC har visat sig främja återväxt av nervceller. I djurmodeller, det kan till och med leda till att återfå någon förlorad funktion.

Men framstegen har begränsats av det faktum att kondroitinas ABC inte är särskilt stabilt på de platser där forskare vill använda det.

"Det är tillräckligt stabilt för miljön som bakterierna lever i, men inuti kroppen är den mycket ömtålig, "säger Shoichet." Det aggregerar, eller klumpar ihop sig, vilket gör att den tappar aktivitet. Detta sker snabbare vid kroppstemperatur än vid rumstemperatur. Det är också svårt att leverera kondroitinas ABC eftersom det är mottagligt för kemisk nedbrytning och skjuvkrafter som vanligtvis används i formuleringar. "

Olika lag, inklusive Shoichets, har experimenterat med tekniker för att övervinna denna instabilitet. Vissa har försökt att förpacka enzymet i biokompatibla polymerer eller fästa det på nanopartiklar för att förhindra att det aggregeras. Andra har försökt införa det i skadad vävnad långsamt och gradvis, för att säkerställa en konsekvent koncentration på skadestället.

Men alla dessa tillvägagångssätt är bara bandhjälpmedel - de tar inte upp det grundläggande problemet med instabilitet.

I deras senaste tidning, Shoichet och hennes medarbetare försökte en ny metod:de ändrade enzymets biokemiska struktur för att skapa en mer stabil version.

"Liksom vilket protein som helst, kondroitinas ABC består av byggstenar som kallas aminosyror, "säger Shoichet." Vi använde beräkningskemi för att förutsäga effekten av att byta ut vissa byggstenar mot andra, med ett mål att öka den övergripande stabiliteten samtidigt som enzymets aktivitet bibehålls eller förbättras. "

"Tanken var nog lite galen, för precis som i naturen, en enda dålig mutation kan förstöra strukturen, "säger Mathew O'Meara, professor i beräkningsmedicin och bioinformatik vid University of Michigan, och medförfattare till det nya papperet.

"Det finns mer än 1, 000 länkar i kedjan som bildar detta enzym, och för varje länk har du 20 aminosyror att välja mellan, "säger han." Det finns för många val för att simulera dem alla. "

För att begränsa sökutrymmet, laget använde datoralgoritmer som efterliknade de typer av aminosyrasubstitutioner som finns i verkliga organismer. Denna metod - känd som konsensusdesign - producerar mutanta former av enzymet som inte finns i naturen, men är troligtvis som de som gör det.

I slutet, laget slutade med tre nya kandidatformer av enzymet som sedan producerades och testades i laboratoriet. Alla tre var mer stabila än vildtypen, men bara en, som hade 37 aminosyrasubstitutioner av mer än 1, 000 länkar i kedjan, var både mer stabil och mer aktiv.

"Kondroitinas ABC av vildtyp förlorar det mesta av sin aktivitet inom 24 timmar, medan vårt ombyggda enzym är aktivt i sju dagar, säger Marian Hettiaratchi, den andra medförfattaren till tidningen. En före detta postdoktor i Shoichets laboratorium, Hettiaratchi är nu professor i bioteknik vid University of Oregon's Phil and Penny Knight Campus för accelererande vetenskaplig påverkan.

"Detta är en enorm skillnad. Vårt förbättrade enzym förväntas försämra glialärret ännu mer effektivt än den version som vanligtvis används av andra forskargrupper, säger Hettiaratchi.

Nästa steg blir att distribuera enzymet i samma typ av experiment där vildtypen tidigare användes.

"När vi startade det här projektet, vi fick rådet att inte försöka eftersom det skulle vara som att leta efter en nål i en höstack, "säger Shoichet." Efter att ha hittat den nålen, vi undersöker denna form av enzymet i våra modeller av stroke och ryggmärgsskada för att bättre förstå dess potential som terapeutisk, antingen ensam eller i kombination med andra strategier. "

Shoichet pekar på projektets tvärvetenskapliga karaktär som en nyckel till dess framgång.

"Vi kunde dra nytta av författarnas kompletterande expertis för att förverkliga detta projekt, och vi var chockade och överlyckliga över att vara så framgångsrika, "säger hon." Det gick långt över våra förväntningar. "