В новой статье ученых Райс Джунхэ Су и Джонатана Силберга и их студентов подробно описывается использование ими вычислительных и биоинженерных методов для объединения частей очень разных аденоассоциированных вирусов (AAV) для создания новых доброкачественных вирусов, которые могут доставлять полезные нагрузки ДНК в определенные клетки.Исследование появилось в этом месяце в журнале Американского химического общества ACS Synthetic Biology.AAV встречаются в природе и обычно инфицируют людей, но не вызывают болезней.
Это делает их хорошими кандидатами на роль носителей, нацеленных на клетки и доставляющих гены для лечения болезней.Команда, в которую вошли аспирант и ведущий автор Мишель Хо и студенты Бенджамин Адлер и Майкл Торре, хочет определить правила для разработки различных вирусов, доставляющих терапевтические гены.
Они использовали компьютерные модели, чтобы найти вероятных кандидатов AAV для рекомбинации, а затем проверили предсказания модели, сконструировав 17 уникальных вирусных капсидных белков и оценив их способность складываться и собираться в вирусы, заключенные в капсулы.«Генная терапия перспективна в лечении не только генетических заболеваний, но также рака и сердечно-сосудистых заболеваний», — сказал Сух, доцент кафедры биоинженерии в Исследовательском коллаборации Rice BioScience.«Но вам нужен механизм, чтобы ввести правильный ген в человеческое тело и в клетки-мишени», — сказала она. «Для этого люди используют генные векторы, а вирусы охватывают самую большую категорию векторов. Они естественным образом эволюционировали, чтобы доставлять гены в организм.
Наша цель — перепрограммировать их для нацеливания на определенные органы или ткани.«Большой вызов — сделать это рационально», — сказала она. «Люди проделали большую работу, чтобы определить структуру вирусов.
Мы знаем, как они выглядят. Вопрос в том, как мы можем использовать эту информацию для разработки наших вирусных векторов?»Ответ команды начинается с алгоритма «SCHEMA», который они адаптировали для предсказания того, как части очень больших вирусов могут рекомбинировать, ориентируясь на последовательности вирусных белков, которые хорошо работают вместе.
Сильберг, доцент биохимии и клеточной биологии, сказал, что подходы к созданию вирусов могут быть ориентированы либо на грубую силу — «Давайте сделаем 1000 из них, и, может быть, нам повезет»), либо на чисто вычислительные, когда биофизик попытается это сделать. спрогнозировать роль небольших изменений капсида вируса.«Мы работаем над гибридным подходом», — сказал он. «Вместо создания случайной библиотеки (вирусов) или компьютерного проектирования одного вируса, который работает с низкой частотой, мы пытаемся создать умные библиотеки. Мы учимся адаптировать компьютерные программы, используемые для небольших белков, с помощью нескольких тысячи атомов для вирусов, содержащих более 100 000 атомов ".Вместо того, чтобы нацеливаться на мутации в определенных вирусах, исследователи использовали программу для сравнения частей разных, но связанных вирусов, чтобы увидеть, будут ли они объединяться вместе, чтобы сформировать новые вирусы.
«Мы относимся к ним как к Лего, — сказал Силберг. «Мы берем отдаленно связанные вирусы, которые природа может не очень эффективно рекомбинировать, и ищем автономные части этих белков, которые можно менять местами».«Родительскими» вирусами были AAV серотипа 2, который, по словам Су, наиболее часто изучается для генной терапии сегодня, и серотип 4 AAV. «Они являются частью того же семейства вирусов, но генетически AAV4 является одним из наиболее отличных от вирусов. AAV2. "Она сказала, что в прошлом исследователям было трудно рационально создать химеры — один организм, который объединяет части двух или более генетически различных элементов — из этих вирусов с использованием традиционных методов.
Но лаборатория Су подтвердила, что химерные структуры, предсказанные компьютерными моделями, могут быть превращены в настоящие гибридные вирусы. Теперь задача состоит в том, чтобы создать гораздо более обширную библиотеку химерных вирусов, чтобы установить статистически надежный набор руководящих принципов.«Мы хотим знать, как создать более стабильный вирус или вирус, который меняет свою конформацию после попадания в клетку», — сказал Силберг.
«И мы хотим знать, как сделать так, чтобы он поступал не только в мозг, но и в определенную часть мозга, чтобы нацелить ее на нейродегенеративное заболевание», — добавил Со. «Суть в том, что мы хотим этих правил».Силберг сказал, что исследователи ожидали подтверждения того, что алгоритм SCHEMA может эффективно предсказывать рекомбинации, которые могут доставить груз в клетки. «Но мы также узнали кое-что действительно удивительное: вы можете победить эти вирусы намного больше, чем маленькие белки, и они все равно собираются в большие вирусные частицы», — сказал он. «Это действительно интересно, что вирусы, кажется, в основном терпят мутации, которые мы делаем».
Центр Кека Междисциплинарной программы подготовки выпускников консорциумов по нанобиологии (через грант Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии), Фонд Роберта А. Уэлча и Национальный научный фонд поддержали исследование.