Группа исследователей из Университета Иллинойса (University of Illinois, США) продемонстрировала, что особые белки, имеющие спиральную форму и состоящие из небольшого числа аминокислот, могут эффективно доставлять фрагменты ДНК в клетки. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
«Мы создали новые химические соединения, которые можно использовать в генной терапии», - говорит руководитель исследования ЦзяньЦзюнь Ченг (Jianjun Cheng), профессор химии и биоинженерии из Университета Иллинойса.
В настоящее время большинство ученых использует 2 основных метода доставки генов в клетку: с помощью модифицированных вирусов и невирусных соединений (например, синтетических полимеров или липидов). Недостатками таких методов являются либо токсичность, либо неэффективность. Полипептиды, представляющие собой небольшие цепочки аминокислот, являются перспективным материалом для применения в генной терапии благодаря своему небольшому размеру, биосовместимости и способности легко «подстраиваться» под необходимые условия.
«Существует довольно много доступных агентов для in vitro трансфекции, но мы не можем использовать их в условиях in vivo из-за высокой токсичности и большого размера некоторых комплексов. Использование наших полипептидов позволяет управлять молекулами размером до 200 нанометров, что делает их привлекательной системой доставки для применения в условиях in vivo», - говорит Ченг.
Большие надежды ученых на создание эффективной системы доставки генов ранее были связаны с полипептидом под названием поли-L-лизин (PLL). PLL имеет положительно заряженные боковые цепи, что позволяет ему растворяться в водной клеточной среде.
Однако постепенно ученые перестали активно использовать PLL из-за его высокой токсичности и ограниченных возможностей в качестве медиатора трансфекции. Ченг предположил, что низкая эффективность PLL в качестве материала для доставки генов в клетки может быть связана с его сферической формой. Полипептиды с заряженными боковыми цепями имеют тенденцию принимать форму случайно скрученного клубка вместо того, чтобы принимать форму спирали, упорядоченно закрученной вокруг своей оси.
«Мы никогда не изучали взаимосвязь между конформацией молекулы и эффективностью трансфекции, поскольку у нас не было возможности получить синтетический материал, одновременно обладающий и катионным зарядом, и большим числом спиральных структур. В данной работе мы впервые продемонстрировали, что на эффективность трансфекции значительное влияет оказывает число спиралей в полимере, используемом в качестве материала для переноса генов», - объяснил профессор Ченг.
Группа ученых под руководством профессора Ченга разработала метод получения спиралевидных полипептидов, обладающих положительно заряженными боковыми цепями.
Для того чтобы оценить эффективность спиральных полипептидов в качестве средства для доставки генов, ученые создали библиотеку из 31 полипетида, все из которых были закручены в спираль, сохраняли стабильность в широком диапазоне pH и были способны связываться с молекулой ДНК для ее доставки. Большинство из полученных полипетидов превзошли свойства PLL, а также свойства ведущего коммерческого материала под названием полиэтиленимин (PEI), обладающего как высокой эффективностью, так и выраженной токсичностью. Спиральные молекулы эффективно доставляли ДНК даже в некоторые типы клеток, с трудом поддающиеся трансфекции, например, в стволовые клетки и фибробласты.
«Ученые, похоже, отказались использовать материалы на основе полипептидов для доставки генов, потому что PLL обладает низкой эффективностью и высокой токсичностью. Разработанные и синтезированные нами полипептиды, использованные в данном исследовании, обладают хорошо контролируемой токсичностью и высокой эффективностью доставки генов в клетку. Мы продемонстрировали, что применение спирального полипептида более эффективно для доставки генов, чем применение многих коммерческих материалов», - сказал профессор Ченг.
Разработанные профессором Ченгом и его коллегами полипептиды принимают спиралевидную форму, поскольку их боковые цепи длиннее, чем у PLL, а положительные заряды не взаимодействуют с участками белка, закрученными в спираль. Положительно заряженные полипептиды легко связываются с отрицательно заряженной молекулой ДНК, образуя комплексы, поглощаемые клеточными органеллами, называемыми эндосомами. Спиралевидные структуры «разрывают» мембраны эндосом, выпуская ДНК в клетку.
Чтобы подтвердить, что спиральная форма полипептида является ключом к успешной трансфекции, ученые синтезировали 2 группы наиболее эффективных полипептидов. Одна группа полипептидов имела спиральную форму, другая – традиционную форму в виде клубка. Ученые выявили большую эффективность и стабильность результатов трансфекции при использовании спиральных полипептидов по сравнению полипептидами в форме клубка.
«У полимеров был одинаковый химический состав, разница заключалась только в форме молекул. Это доказывает значимость для трансфекции такого свойства, как спиральность полипептидного белка», - подчеркнул профессор Ченг.
Ученые планируют продолжить изучение свойств спиральных полипептидов, уделив особое внимание их способности проникать внутрь клеток. Исследователи надеются, что смогут с высокой точностью контролировать последовательность и структуру полипептидов при их применении для решения специфичных задач, включая доставку генов и лекарственных препаратов, проникновение через мембранные оболочки и антимикробное действие.
Источник: Сbio.ru
