Genom att leverera strängar av genetiskt material som kallas budbärar-RNA (mRNA) till celler, forskare kan få cellerna att producera vilket protein som helst som kodas av mRNA. Denna teknik har stor potential för att administrera vacciner eller behandla sjukdomar som cancer, men att uppnå effektiv leverans av mRNA har visat sig vara utmanande.

Nu, ett team av MIT kemiingenjörer, inspirerad av hur celler översätter sitt eget mRNA till proteiner, har designat ett syntetiskt leveranssystem som är fyra gånger effektivare än att leverera mRNA på egen hand.

"Om vi ​​vill kunna leverera mRNA, då behöver vi en mekanism för att vara mer effektiv på det eftersom allt som har använts hittills ger dig en mycket liten bråkdel av vad som skulle vara den optimala effektiviteten, säger Paula Hammond, en David H. Koch professor i teknik, chefen för MIT:s avdelning för kemiteknik, och medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Hammond är ledande författare av tidningen, som dyker upp i Angewandte Chemie . Tidningens huvudförfattare är postdoc Jiahe Li och doktorand Yanpu He. Andra medförfattare i tidningen är Wade Wang, Connie Wu, och Celestine Hong från Hammond-labbet.

Proteinmaskiner

Messenger RNA bär genetiska instruktioner från DNA, som inte kan lämna cellkärnan, till cellens ribosomer, som sätter ihop proteiner baserat på mRNA-sekvensen. Messenger-RNA är tilltalande som en potentiell vehikel för att behandla sjukdomar eller leverera vacciner eftersom efter att en mRNA-sträng har översatts till det önskade proteinet, det försämras så småningom.

"Det ändrar inte den genetiska koden, " säger Hammond. "Det finns ingen chans att inkorporering av en gen kan hända, så säkerhetsfaktorn är mycket högre."

För detta arbetssätt, mRNA måste komma in i cellerna effektivt, och väl där, det behöver nå ribosomerna för att översättas till protein. I en tidigare studie, MIT-forskarna fann att de kunde förbättra hastigheten för mRNA-translation genom att fästa ett proteinlock i ena änden av mRNA-strängen. Detta lock hjälper mRNA att bilda ett komplex som behövs för att initiera translation.

I den nya studien, forskarna fokuserade på den andra änden av mRNA-molekylen. Naturligt förekommande mRNA har vanligtvis en lång "poly-A svans, "som består av en lång sekvens av adenosinupprepningar, som stabiliserar molekylen och hjälper den att motstå att brytas ned av enzymer i cellen.

MIT-teamet bestämde sig för att fästa ett protein som kallas poly-A-bindande protein till denna svans. Detta protein, som finns naturligt i celler, hjälper mRNA att binda till ribosomer och påbörja translationsprocessen.

Forskarna belade sedan detta komplex med en typ av polymer som kallas en polypeptid, som är en sekvens av modifierade aminosyror som är hoptränade i en kedja. Denna polypeptid fungerar som en ställning för att hålla det poly-A-bindande proteinet och mRNA i nära kontakt, och det hjälper till att neutralisera det negativt laddade mRNA:t. Utan den neutraliseringen, mRNA skulle inte kunna passera genom cellmembran, som också är negativt laddade.

När det polymerbelagda mRNA:t kommer in i en cell, det poly-A-bindande proteinet skyddar det från att brytas ner och hjälper det att kopplas ihop med ribosomer. mRNA bildar en sluten slinga så att en ribosom kan cirkulera genom den många gånger, producerar många kopior av målproteinet. På det här sättet, effekten av mRNA, vilket är en mycket kostsam genetisk behandling, kan förbättras avsevärt genom kombination med mycket billigare syntetiska polypeptider och proteiner.

"Den konventionella metoden är bara att leverera mRNA till cellerna, " säger Li. "Men när mRNA väl kommer in i cellerna kan det brytas ned, så vi bildar ett komplex som är avgörande för initiering av mRNA-translation."

MIT-metoden hjälper också till att övervinna en annan utmaning för att leverera mRNA, vilket är att molekylerna är mycket stora, säger Peixuan Guo, en professor i läkemedel och läkemedelsleveranssystem vid Ohio State University.

"Fynden av Paula Hammonds grupp i denna artikel visar att mRNA kan levereras effektivt genom användning av poly-A-bindande proteiner, säger Guo, som inte var involverad i forskningen. "Denna teknik visar en stor ökning av levererade nyttolaster och kommer att bana ett nytt sätt för mRNA-leverans."

Högre proteinuttryck

Forskarna testade detta system genom att leverera mRNA som kodar genen för luciferas, ett glödande protein, in i lungorna på möss. De upptäckte att med denna typ av leverans, celler producerade fyra gånger så mycket protein som de gjorde när endast mRNA förpackades med samma polypeptid för leverans.

En anledning till att detta system är mer effektivt, forskarna tror, är att det eliminerar behovet av mRNA för att hitta poly-A-bindande proteiner i den trånga cytoplasmamiljön efter att mRNA kommer in i cellen.

"Vi insåg att celler förmodligen bara gör tillräckligt med detta poly-A-bindande protein för att översätta sitt eget mRNA, " säger han. "När du levererar överskott av mRNA, cellen har inte tillräckligt med detta hjälpprotein för att översätta det. Vi insåg att vi måste ge den mer hjälpprotein, förmontera den med våra polypeptider för att efterlikna strukturen av proteinsyntes, sedan medleverera denna bioinspirerade sammansättning in i cellen."

I den här studien, mRNA-partiklarna ackumulerades i lungorna på grund av polypeptidens positiva laddning, vilket gjorde det möjligt för partiklarna att fästa vid röda blodkroppar och ta en tur till lungorna. Dock, forskarna planerar nu att utforska att modifiera partiklarna med polymerer som kommer att leda dem till andra platser i kroppen, inklusive tumörer.

De arbetar också med att ytterligare förbättra stabiliteten hos polypeptidmolekylerna genom att lägga till en hydrofob svans i ena änden, och genom att fästa en polymer som kallas PEG. Båda dessa modifieringar bör hjälpa molekylerna att cirkulera längre i kroppen, så att de kan nå sina avsedda destinationer.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.