An in vitro platform for the rapid and scalable biocatalysis of complex polyketides

La naturaleza ha construido algunas de las fábricas químicas más sofisticadas conocidas por la ciencia dentro de diminutas bacterias. Estos organismos microscópicos poseen largas líneas de montaje moleculares hechas de proteínas que pueden ensamblar piezas de construcción simples en estructuras tridimensionales complejas. Estas estructuras, conocidas como policétidos, son la fuente de muchos medicamentos que salvan vidas, incluyendo antibióticos que combaten infecciones y fármacos que calman el sistema inmunológico. Durante décadas, los científicos han soñado con extraer estas líneas de montaje naturales de las bacterias y colocarlas en un tubo de ensayo. La idea era hacer funcionar estas máquinas moleculares directamente, sin la molesta interferencia de una célula viva, para crear nuevos medicamentos de forma más rápida y limpia. Sin embargo, los primeros intentos de hacer esto fallaron. Cuando los investigadores intentaron poner en marcha estas líneas de montaje fuera de la célula, se movían tan lentamente que el proceso parecía inútil, produciendo casi nada antes de que la maquinaria dejara de funcionar.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en Austin ha logrado ahora desmentir esta creencia largamente sostenida. Han desarrollado una nueva forma de hacer funcionar estas líneas de montaje moleculares en un tubo de ensayo que es rápida, eficiente y capaz de producir grandes cantidades de productos químicos complejos. Al rediseñar cuidadosamente las partes proteicas de la línea de montaje y crear un sistema que reponga constantemente el combustible que las máquinas necesitan, el equipo convirtió un proceso lento en una línea de producción rápida. Demostraron que estas máquinas biológicas pueden trabajar tan rápido como las fábricas naturales más eficientes que se encuentran en la naturaleza, convirtiendo ingredientes simples en moléculas compleas de tipo farmacológico en cuestión de horas. Este avance sugiere que los científicos pueden ahora construir bibliotecas de nuevos y complejos medicamentos en un entorno de laboratorio, evitando los métodos lentos y costosos de la síntesis química tradicional o la naturaleza impredecible del cultivo de bacterias.

La historia comienza con un tipo específico de máquina molecular llamada policétido sintasa. En la naturaleza, estas máquinas son como enormes cintas transportadoras hechas de proteínas. Toman moléculas pequeñas y simples y las unen en un orden preciso para construir estructuras más grandes e intrincadas. El orden de las piezas en la cinta determina la forma y la función del producto final. Durante años, los científicos intentaron utilizar estas máquinas dentro de bacterias vivas para fabricar medicamentos. Aunque esto funcionaba, era difícil de controlar. Las bacterias tenían sus propios procesos internos que competían con la línea de montaje, y era difícil determinar si un bajo rendimiento se debía a un fallo en la máquina o al entorno de la célula. Trasladar el proceso a un tubo de ensayo parecía la solución lógica, ya que permitiría a los científicos controlar cada variable. Pero cuando intentaron por primera vez, las máquinas eran increíblemente lentas. Un intento famoso de hacer funcionar una máquina que fabrica un antibiótico llamado eritromicina mostró que se movía a un ritmo glacial, produciendo solo una cantidad minúscula de producto antes de detenerse. Esto llevó a la suposición generalizada de que estas máquinas complejas simplemente no funcionaban bien fuera de su hogar natural.

Los investigadores se propusieron demostrar que esa suposición era errónea. Se centraron en una máquina diferente, una que produce naturalmente un compuesto llamado narbonolida, que está relacionado con el antibiótico pikromicina. En lugar de utilizar la versión natural de la máquina, que está compuesta por cuatro grandes hebras de proteína, la fragmentaron en seis piezas más pequeñas y manejables. Este diseño refactorizado facilitó la producción de la máquina en el laboratorio y su ensamblaje correcto. Luego probaron este nuevo sistema en una solución que contenía el combustible y los bloques de construcción necesarios. Inicialmente, la máquina funcionó, pero seguía siendo demasiado lenta para ser práctica, y el producto que fabricaba era frágil, descomponiéndose en el entorno químico del tubo de ensayo. El equipo se dio cuenta de que la máquina luchaba contra sí misma. Algunas partes de la máquina producían subproductos no deseados y el combustible se desperdiciaba.

Para solucionar esto, los investigadores trataron la línea de montaje como un motor complejo que necesitaba un ajuste. Sustituyeron partes específicas de la máquina, reemplazando conectores genéricos por otros que se ajustaran mejor a la tarea específica. Movieron las etiquetas utilizadas para identificar las proteínas a diferentes lugares en las hebras para ver si ayudaba a que las piezas se adhirieran con mayor eficiencia. También añadieron una enzima de limpieza especial que actuaba como un mecánico, eliminando las partes defectuosas que de otro modo atascarían la línea de montaje. Cada pequeño cambio hizo que la máquina fuera más rápida. Para cuando terminaron de optimizar el diseño, la máquina trabajaba a una velocidad cien veces mayor que la de la antigua máquina de eritromicina y comparable a la velocidad de las fábricas de ácidos grasos más eficientes de la naturaleza. Ya no era un experimento lento; era un biocatalizador de alto rendimiento.

La última pieza del rompecabezas era el sistema de combustible. Estas máquinas requieren un suministro constante de energía y bloques de construcción específicos para seguir moviéndose. En una célula viva, la célula proporciona este combustible automáticamente. En un tubo de ensayo, el combustible se agota rápidamente. El equipo desarrolló una nueva plataforma, que llaman sistema EPK, que actúa como una estación de autorrelleno. Este sistema incluye enzimas que regeneran constantemente el combustible y los bloques de construcción a partir de ingredientes simples y económicos. Con este sistema implementado, los investigadores pudieron ejecutar una reacción en un pequeño vaso de precipitados durante dos horas a temperatura ambiente. Comenzaron con una cantidad mínima de la máquina e ingredientes simples, y la máquina los convirtió en una gran cantidad del producto final. En solo dos horas, produjeron suficiente compuesto de narbonolida para llenar un pequeño vial, una cantidad que habría tomado días o semanas lograr con métodos anteriores.

El éxito de esta plataforma fue más allá de la fabricación de un solo compuesto. Los investigadores utilizaron el mismo sistema optimizado para construir otros cuatro compuestos complejos, cada uno con una forma ligeramente diferente. Debido a que el proceso era tan limpio y estaba libre del ruido de una célula viva, pudieron aislar estos productos en forma pura. Esto les permitió determinar la estructura tridimensional exacta de las moléculas mediante cristalografía de rayos X, revelando detalles que nunca se habían visto antes. Una de las moléculas que fabricaron tenía una estructura que era la imagen especular de un compuesto conocido, una diferencia sutil que a menudo se pasa por alto en las células vivas, pero que era claramente visible aquí. La capacidad de producir estas formas complejas en forma pura abre la puerta a la creación de vastas bibliotecas de nuevas estructuras químicas. Los científicos pueden ahora mezclar y combinar diferentes partes de las líneas de montaje para crear miles de nuevas variaciones, probándolas para sus propiedades medicinales sin las limitaciones de cultivar bacterias.

Este trabajo cambia el panorama de cómo se pueden fabricar medicamentos complejos. Demuestra que la lentitud de estas máquinas moleculares no era un fallo fundamental, sino el resultado de un mal diseño y de la falta de sistemas de apoyo adecuados. Al reconstruir las máquinas y proporcionarles un flujo constante de combustible, los investigadores han desbloqueado una nueva forma de aprovechar las herramientas sintéticas más poderosas de la naturaleza. El proceso es ahora lo suficientemente rápido como para ser práctico y lo suficientemente limpio como para producir materiales de alta calidad para el descubrimiento de fármacos. Aunque la tecnología se encuentra todavía en sus primeras etapas, los resultados muestran que el futuro de la fabricación de medicamentos complejos puede no residir en cultivar más bacterias o construir más plantas químicas, sino en refinar las líneas de montaje moleculares que la naturaleza ya ha perfeccionado. La puerta está abierta para explorar un vasto espacio químico, creando nuevas posibilidades para tratar enfermedades que durante mucho tiempo han sido difíciles de alcanzar.