I ricercatori hanno iniziato a decifrare il codice della struttura proteica, permettendo loro di rifare, beh, tutto
Un venerdì sera tardi nell’aprile 2020, Lexi Walls era sola nel suo laboratorio all’Università di Washington, aspettando nervosamente i risultati dell’esperimento più importante della sua vita. Walls, un giovane biologo strutturale con esperienza in coronavirus, aveva trascorso gli ultimi tre mesi lavorando giorno e notte per sviluppare un nuovo tipo di vaccino contro il patogeno che sta devastando il mondo. Sperava che il suo approccio, in caso di successo, potesse non solo domare il COVID ma anche rivoluzionare il campo della vaccinologia, mettendoci sulla strada per sconfiggere le malattie infettive dall’influenza all’HIV. A differenza di qualsiasi vaccino usato in precedenza, il vaccino che Walls stava sviluppando non era derivato da componenti trovati in natura. Consisteva in microscopiche proteine artificiali elaborate al computer e la loro creazione segnò l’inizio di uno straordinario salto di qualità nella nostra capacità di riprogettare la biologia.
Le proteine sono nanomacchine complesse che svolgono la maggior parte dei compiti negli esseri viventi interagendo costantemente tra loro. Digeriscono il cibo, combattono gli invasori, riparano i danni, percepiscono l’ambiente circostante, trasportano segnali, esercitano forza, aiutano a creare pensieri e si replicano. Sono fatti di lunghe stringhe di molecole più semplici chiamate amminoacidi, e si attorcigliano e si piegano in strutture 3D enormemente complesse. Le loro forme simili a origami sono governate dall’ordine e dal numero dei diversi aminoacidi usati per costruirli, che hanno forze attrattive e repellenti distinte. La complessità di queste interazioni è così grande e la scala così piccola (la cellula media contiene 42 milioni di proteine) che non siamo mai stati in grado di capire le regole che governano come si contorcono spontaneamente e in modo affidabile dalle stringhe alle cose. Molti esperti pensavano che non l’avremmo mai fatto.
Ma nuove intuizioni e scoperte nell’intelligenza artificiale stanno costringendo, o costringendo, le proteine a rivelare i loro segreti. Gli scienziati stanno ora forgiando strumenti biochimici che potrebbero trasformare il nostro mondo. Con questi strumenti, possiamo usare le proteine per costruire nanobot in grado di coinvolgere malattie infettive nel combattimento di una singola particella, o inviare segnali in tutto il corpo, o smantellare molecole tossiche come minuscole unità repo, o raccogliere luce. Possiamo creare la biologia con uno scopo.
Walls è in prima linea in questa ricerca. Ha completato il suo dottorato in struttura del coronavirus nel dicembre 2019, facendo di lei un membro di quello che all’epoca era un club molto piccolo. “Per cinque anni ho cercato di convincere le persone che i coronavirus erano importanti”, dice. “Al mio dottorato di ricerca difesa, ho iniziato dicendo: “Sto per dirti perché questa famiglia di virus ha il potenziale per causare una pandemia e non siamo preparati per quella pandemia”. Sfortunatamente, alla fine si è avverato”.
Non appena la notizia di una misteriosa nuova polmonite è uscita da Wuhan, in Cina, alla fine di dicembre 2019, Walls ha sospettato un coronavirus. Il 10 gennaio 2020 è stata rilasciata al mondo la sequenza genetica per SARS-CoV-2. Walls e il biochimico David Veesler, a capo del suo laboratorio all’Università di Washington, sono rimasti svegli tutta la notte ad analizzarlo. Walls dice di aver sentito un travolgente senso di concentrazione: “Era come, ‘Okay, sappiamo cosa fare'”, dice. “‘Andiamo a farlo.'”
Come altri coronavirus, SARS-CoV-2 assomiglia a una palla ricoperta di “picchi” proteici. Ogni picco termina in un gruppo di amminoacidi, una sezione della proteina nota come dominio di legame al recettore, o RBD, il cui allineamento e le cui cariche atomiche si accoppiano perfettamente con una proteina sulla superficie delle cellule umane. La proteina virale si aggancia al recettore come un veicolo spaziale e il virus utilizza questa connessione per scivolare all’interno della cellula e replicarsi.
A causa del suo ruolo pericoloso, l’RBD è il bersaglio primario degli anticorpi del sistema immunitario. Anche loro sono proteine, create dall’organismo per legarsi all’RBD e metterlo fuori uso. Ma le cellule specializzate impiegano un po’ di tempo per produrre anticorpi abbastanza efficaci, e a quel punto il virus ha spesso causato danni considerevoli.
I vaccini COVID di prima generazione, compresi i vaccini mRNA che sono stati tali salvavita, funzionano introducendo il picco del virus nel corpo, senza un coronavirus funzionale attaccato, in modo che il sistema immunitario possa imparare a riconoscere l’RBD e radunare le sue truppe. Ma l’RBD viene periodicamente nascosto da altre parti della proteina spike, proteggendo il dominio dagli anticorpi che cercano di legarsi ad esso. Questo smussa la risposta immunitaria. Inoltre, una proteina spike che fluttua liberamente non assomiglia a un virus naturale e non sempre innesca una reazione forte a meno che non venga utilizzata una grande dose di vaccino. Quella grande dose aumenta i costi e può innescare forti effetti collaterali.
Gli sviluppatori di vaccini Lexi Walls e Brooke Fiala all’interno di un laboratorio.
Gli sviluppatori di vaccini Lexi Walls (a sinistra) e Brooke Fiala (a destra) hanno utilizzato proteine personalizzate per creare una nuova promettente inoculazione di COVID. Fa ondeggiare una parte vulnerabile del virus SARS-CoV-2 davanti alle cellule del sistema immunitario, provocando una forte risposta neutralizzante. Credito: Timothy Archibald
Tanto successo quanto i vaccini COVID, molti esperti vedono le vaccinazioni basate su proteine naturali come una tecnologia provvisoria. “Sta diventando chiaro che fornire solo proteine naturali o stabilizzate non è sufficiente”, afferma Rino Rappuoli, capo scienziato e responsabile dello sviluppo dei vaccini presso il colosso farmaceutico GlaxoSmithKline con sede nel Regno Unito. La maggior parte dei vaccini attuali, dalle inoculazioni infantili ai vaccini antinfluenzali per adulti, coinvolgono tali proteine naturali, che i vaccinologi chiamano immunogeni; GSK ne produce molti. “Dobbiamo progettare immunogeni che siano migliori delle molecole naturali”, afferma Rappuoli.
Walls e Veesler hanno avuto un’idea. E se, invece di un intero picco, il sistema immunitario fosse presentato solo con la punta RBD, che non avrebbe alcuno scudo dietro cui nascondersi? “Volevamo mettere in mostra il componente chiave”, afferma Walls, “per dire: ‘Ehi, sistema immunitario, è qui che vuoi reagire!’
Il problema immediato con questa nozione era che la biologia non produce RBD isolati, e il segmento da solo sarebbe troppo piccolo e poco familiare per attirare l’attenzione del sistema immunitario. Ma Walls e Veesler conoscevano alcune persone che potevano aiutarli a risolvere quel problema. Proprio in fondo alla strada c’era il Bell Labs of Protein Invention, l’Istituto per la Progettazione delle Proteine (IPD) dell’Università di Washington. L’istituto aveva imparato abbastanza sul ripiegamento delle proteine per progettare e costruire poche centinaia di proteine molto semplici e piccole, a differenza di tutte quelle che sono mai state trovate in un organismo vivente, che si piegherebbero in forme coerenti con funzioni prevedibili
Nel 2019 un gruppo dell’IPD guidato dal biochimico Neil King aveva progettato due minuscole proteine con interfacce complementari che, se mescolate insieme in soluzione, si sarebbero unite e si sarebbero autoassemblate in nanoparticelle. Queste palle avevano le dimensioni di un virus ed erano completamente personalizzabili attraverso una semplice modifica al loro codice genetico. Quando gli scienziati hanno addobbato le particelle con 20 picchi proteici del virus respiratorio sinciziale, la seconda causa di mortalità infantile in tutto il mondo, hanno innescato un’impressionante risposta immunitaria nei primi test.
Perché non provare un nucleo di nanoparticelle simile per un vaccino SARS-CoV-2, hanno pensato Walls e Veesler, usando solo l’RBD invece di un intero picco? Come bonus, nanoparticelle a base di proteine sarebbero economiche e veloci da produrre rispetto ai vaccini che utilizzano virus uccisi o indeboliti. Sarebbe anche stabile a temperatura ambiente e facile da consegnare alle persone, a differenza dei fragili vaccini a mRNA che devono essere conservati in un congelatore.
Walls ha contattato l’IPD e ha collaborato con lo specialista di nanoparticelle Brooke Fiala, che ha lavorato con King, su un prototipo: una sfera di nanoparticelle che mostra 60 copie dell’RBD. Gli scienziati hanno anche provato qualcosa di radicale: invece di fondere gli RBD direttamente sulla superficie della nanoparticella, li hanno legati con brevi stringhe di amminoacidi, come gli aquiloni. Dare un po’ di gioco agli RBD potrebbe consentire al sistema immunitario di osservare meglio da ogni angolazione e produrre anticorpi che attaccherebbero molti punti diversi.
Ma nessuno sapeva se sarebbe successo davvero. Così quel venerdì di aprile dell’anno scorso, mentre Walls aspettava i risultati, incrociò le dita. Tre settimane prima lei e i suoi colleghi avevano iniettato in alcuni topi il vaccino a nanoparticelle. Altri topi hanno ottenuto il picco normale che stavano usando altri vaccini. Ora i ricercatori hanno prelevato il sangue dai topi e lo hanno mescolato con uno pseudovirus SARS-CoV-2, una versione artificiale e non replicante del virus che è più sicura da usare in laboratorio. L’idea era di vedere se qualche topo vaccinato avesse sviluppato anticorpi in grado di attaccare e neutralizzare lo pseudovirus.
Ci vuole un po’ prima che gli anticorpi facciano il loro dovere, motivo per cui Walls ha dovuto aspettare fino a tardi quel venerdì sera. In nessun modo sarebbe andata a casa per essere tenuta in sospeso per tutto il fine settimana. I suoi colleghi le avevano augurato buona fortuna mentre uscivano dalla porta. Prima che Veesler si interrompesse, le chiese di contattarlo non appena avesse avuto risultati.
Adesso era buio fuori e il laboratorio era spettralemente silenzioso. Era finalmente arrivato il momento di guardare. Walls ha acceso uno strumento da laboratorio in grado di rilevare e contare gli anticorpi attaccati alle particelle virali, ha fatto un respiro profondo e ha sbirciato i numeri.
Ad alcuni topi era stata somministrata una dose bassa del semplice picco, e quello era un fallimento totale: effetto zero sugli pseudovirus. I topi a cui è stata somministrata una dose elevata dello spike hanno mostrato anticorpi con un moderato effetto neutralizzante, simile a quello prodotto da altri vaccini. Ma nei topi che hanno ricevuto il vaccino con nanoparticelle, lo pseudovirus è stato completamente superato. Gli anticorpi lo hanno soffocato e hanno avuto un effetto neutralizzante 10 volte superiore a quello della preparazione di spike ad alte dosi. Quella grandezza ha resistito anche quando è stata usata solo una dose minuscola. Walls stava cercando qualcosa che potesse essere un vaccino a basso costo, stabile e ultrapotente.
Walls ha inviato un messaggio di testo in maiuscolo a Veesler: “SONO NEUTRALIZZANDO!”
Veesler ha risposto subito: “La prossima generazione di vaccini contro il coronavirus è nelle tue mani!”
Quello era solo il primo di numerosi test che il vaccino doveva superare. Da lì avrebbero dovuto dimostrare che il vaccino potrebbe offrire protezione dal virus vivo nei topi, nei primati non umani e, infine, nelle persone. Le nanoparticelle sono entrate nell’ultima fase di test all’inizio del 2021. Ma in quel momento, come emblema del potere della progettazione delle proteine, era già stato un successo, il segno più chiaro che una tecnologia molto al di là della nostra portata fosse improvvisamente arrivata. Stavamo imparando a scolpire l’argilla viva di cui siamo fatti tutti.
Per quanto trasformativa sia stata la rivoluzione genetica degli ultimi decenni, al centro c’è sempre stato un mistero: le proteine. Un gene è semplicemente il codice per produrre una singola proteina. In quel gene, un insieme di tre nucleotidi di DNA, rappresentati da lettere, produce un amminoacido e un’altra tripletta codifica per un diverso amminoacido. Ci sono 20 amminoacidi che una cellula può usare come blocchi per la costruzione di proteine e ognuno ha una forma e una funzione uniche. Alcuni sono più flessibili di altri. Alcuni sono caricati positivamente, altri negativi. Alcuni sono attratti dall’acqua; altri ne sono respinti.
Per tutto il giorno le nostre cellule producono nuove proteine nell’esatto ordine di amminoacidi dettato dal nostro codice genetico, e le proteine si adattano spontaneamente. Quella forma, insieme alle cariche degli atomi sui bit esposti, determina la funzione: a cosa rispondono, a cosa si attaccano, cosa possono fare. Quando diciamo “Ha il gene per i capelli rossi”, significa che ha il progetto per le proteine che portano a un particolare tipo di pigmento. Quando diciamo “Ha un gene che causa il cancro al seno”, significa che ha una mutazione in un gene che fa sì che la sua proteina venga prodotta con un amminoacido errato, che ne rovina la funzione in un modo che può portare al cancro .
Comprendere i meccanismi del ripiegamento delle proteine ci consentirebbe di progettare nuove classi di farmaci che potrebbero zoppicare o sostituire le proteine andate storte e di sondare l’eziologia di malattie come l’Alzheimer, il Parkinson, l’Huntington e la fibrosi cistica, che sono legate a proteine deformi.
Sfortunatamente, poiché le proteine sono così piccole, è quasi impossibile dire cosa sta succedendo in questo nanomondo, anche con potenti microscopi. Non sappiamo esattamente come tutte queste proteine si ripiegano correttamente, tanto meno cosa va storto quando si ripiegano male. Possono essere necessari un anno e $ 120.000 per produrre un’immagine ad alta risoluzione di una proteina su apparecchiature specializzate. Attualmente conosciamo le strutture di appena lo 0,1 percento di esse. Per il resto, supponiamo. Ecco perché c’è un mistero al centro della rivoluzione genetica: alcune sequenze genetiche sono associate a effetti fisici e mentali, ma spesso non sappiamo dire perché. Ci mancava la stele di Rosetta della struttura proteica per tradurre tra il punto di partenza dei geni e il punto di arrivo delle funzioni corporee.
In teoria, dovrebbe essere possibile prevedere la struttura finale di una proteina dalla sua sequenza genetica, un compito così essenziale per la nostra comprensione che nel 2005 la rivista Science l’ha inclusa nell’elenco delle più importanti domande senza risposta della scienza nel numero del 125esimo anniversario. Ma in realtà è stato possibile solo per pochissime proteine estremamente semplici. Ad esempio, gli scienziati sanno che se vogliono costruire un’elica dritta (una struttura simile a Slinky nelle proteine che fornisce stabilità), possono utilizzare amminoacidi come leucina, alanina e glutammato, che hanno la giusta curva e complementarità per formare spirali regolari e si legano strettamente agli amminoacidi sulla bobina sopra o sotto di loro. Se gli scienziati vogliono un nodo nel loro Slinky, possono aggiungere una prolina, che non forma un legame e consente al resto dell’elica di piegarsi lontano da esso.
Biologi strutturali come David Baker, che ha fondato l’IPD, dove Walls e Veesler sono andati a prendere le loro nanoparticelle, sono stati in grado di dedurre alcune di queste regole di base. Il gruppo di Baker ha incorporato queste rubriche in un programma informatico per la previsione della struttura chiamato Rosetta e le ha utilizzate per produrre un numero di piccole proteine, in genere di poche dozzine di amminoacidi. Alcuni dei loro successi hanno mostrato il grande potenziale del campo: microscopiche “nanogabbie” che potrebbero essere utilizzate per confezionare farmaci e trasportarli nel corpo e rilevatori molecolari che si attivano quando incontrano cellule con specifiche combinazioni di amminoacidi sulla loro superficie, indicando che tali cellule sono cancerose.
Ma le proteine più importanti negli esseri viventi sono molto più grandi di questi esempi e contengono migliaia di amminoacidi, ognuno dei quali interagisce con un massimo di una dozzina di vicini, alcuni formando legami forti come quelli di un diamante, altri allontanandone altri. Tutte queste relazioni si trasformano in base alla vicinanza. Quindi le possibilità diventano rapidamente astronomiche e le formule per capire le strutture finali sono sfuggite a lungo alle nostre migliori menti e supercomputer.
Frustrato da questo problema nel 1994, un gruppo di biologi computazionali decise che una piccola competizione amichevole avrebbe potuto stimolare qualche progresso. Guidati da John Moult dell’Università del Maryland, hanno lanciato CASP, il concorso di valutazione critica della previsione della struttura. Moult ha ottenuto specifiche dettagliate di proteine la cui struttura era stata recentemente identificata ma non rilasciata. Ha inviato la sequenza genetica per le proteine a vari team di diversi laboratori di ricerca, che hanno poi presentato le loro migliori idee su come fosse la proteina finita.
Queste previsioni sono state valutate in base alla loro somiglianza con la struttura effettiva in base alla percentuale di molecole al posto giusto. Ottenere l’architettura di base giusta potrebbe segnare un 50, ottenere gli angoli e i collegamenti tra le parti principali potrebbe essere buono per un 70 e inchiodare i minuscoli fili molecolari che spuntano dalle proteine come i capelli meriterebbe un 90 e più.
Da allora, Moult organizza il concorso ogni due anni. Per molto tempo nemmeno le migliori squadre hanno potuto fare molto meglio delle congetture. Nel 2012, l’anno in cui è stato avviato l’istituto di progettazione delle proteine di Baker, i migliori team CASP avevano una media dei punteggi intorno ai 20 e non c’erano stati miglioramenti per un decennio. “Ci sono stati momenti dopo alcuni CASP in cui vedevo i risultati e disperavo”, dice Moult. “Penserei: ‘Questo è tutto uno scherzo. Perché lo stiamo facendo?’” Alcune nuove intuizioni hanno portato a un aumento a CASP11, con i migliori punteggi in media di quasi 30, e un altro leggero aumento a circa 40 a CASP12.
Poi è arrivato CASP13 nel 2018. I migliori team, guidati dall’istituto Baker, sono migliorati di nuovo, con una media di quasi 50, ma sono stati superati da un concorrente a sorpresa: DeepMind di Google, il cui sistema di intelligenza artificiale aveva battuto il miglior giocatore di Go del mondo nel 2017. Il L’intelligenza artificiale ha ottenuto in media un punteggio di circa 57 per proteina.
Quel risultato ha scosso i laboratori di ingegneria proteica del mondo, ma si è rivelato essere solo una prova generale per il 2020. In quell’anno le previsioni di DeepMind erano esatte. “Ho pensato: ‘Questo non può essere giusto. Aspettiamo il prossimo’”, dice Moult. “E continuavano a venire.”
DeepMind ha ottenuto una media di 92 per tutte le proteine. Su quelli più facili, aveva praticamente ogni atomo al posto giusto. Ma i suoi risultati più impressionanti sono stati su alcune proteine estremamente difficili che hanno completamente ostacolato la maggior parte delle squadre. Su una molecola, nessun gruppo ha ottenuto un punteggio superiore agli anni ’20: DeepMind ha ottenuto un punteggio superiore agli anni ’80.
Moult è rimasto sbalordito dai risultati. “Ho dedicato gran parte della mia carriera a questo”, dice. “Non avrei mai pensato che avremmo ottenuto questo livello di precisione atomica.” La cosa più impressionante, dice, è l’indicazione che DeepMind ha raccolto fondamenti precedentemente sconosciuti. “Non si tratta solo di riconoscimento di schemi. In qualche modo alieno, la macchina “capisce” la fisica e può calcolare come si organizzeranno gli atomi in una disposizione unica di amminoacidi».
“È stato scioccante”, concorda il biologo strutturale e concorrente del CASP Mohammed AlQuraishi della Columbia University. “Mai in vita mia mi sarei aspettato di vedere un progresso scientifico così rapido”. AlQuraishi si aspetta che la svolta trasformi le scienze biologiche.
Il team di DeepMind dovrebbe pubblicare il suo documento sui metodi, con dettagli su come ha funzionato, entro la fine dell’anno. Alcuni aspetti possono rimanere imperscrutabili: l’IA rileva relazioni deboli che non possono essere facilmente spiegate con le regole, ma al momento gli scienziati hanno i contorni generali.
Per prevedere gli effetti reciproci degli amminoacidi, i programmatori della macchina hanno invocato una tecnica chiamata attenzione che è stata responsabile dei recenti balzi in avanti nella traduzione linguistica accurata da parte delle IA. Come le proteine, il linguaggio è una stringa di informazioni apparentemente lineare che si ripiega su se stessa per produrre significato. Una parola come “it” potrebbe trarre il suo significato da una parola usata in una frase completamente diversa. (“Per molto tempo, l’intelligenza artificiale non ha avuto senso per me. E poi, dopo molte letture, l’ho finalmente capito.”) Quando comunichiamo, ci muoviamo costantemente avanti e indietro lungo questa stringa lineare, prestando attenzione a un cluster locale di parole per capire cosa significa una parola diversa nel contesto. Una volta risolto quel significato, possiamo passare a un altro passaggio correlato e comprendere quelle parole alla luce delle nuove informazioni.
DeepMind fa qualcosa di simile per le proteine, concentrando la sua attenzione su un cluster locale di amminoacidi, comprendendo quanto più possibile sulla loro relazione reciproca. Alcune coppie di aminoacidi, ad esempio, sembrano essersi coevolute, indicando un legame tra loro e limitando le loro possibili posizioni nella proteina. DeepMind utilizza queste informazioni per passare a una parte diversa della proteina e analizzare quella sezione alla luce di ciò che sa del primo cluster. Esegue iterazioni multiple su tutte le parti della stringa proteica e alla fine utilizza queste informazioni per costruire una nuvola di punti 3-D che rappresenta le relazioni tra tutti i costituenti atomici di ogni ammino. Fondamentalmente tratta il ripiegamento delle proteine come un nuovo linguaggio alieno da decifrare.
Mentre altri laboratori incorporano le tecniche di DeepMind e la previsione puntuale delle proteine diventa onnipresente, dice AlQuraishi, il lungo periodo di prova ed errore per far piegare una proteina del mondo reale come pensavi sarebbe diventato molto più veloce. “Percolerà ovunque”, dice. “Renderà la progettazione delle proteine molto più efficace”.
Per bloccare un virus, Longxing Cao dell’Institute for Protein Design ha sviluppato piccole proteine sintetiche chiamate mini leganti. Si avvicinano alla parte di un coronavirus che si attacca alle cellule, fermandolo. I mini raccoglitori potrebbero essere spruzzati sul naso per prevenire le infezioni. Credito: Timothy Archibald
Ma il team di DeepMind non si occupa di scienza applicata, quindi l’intelligenza artificiale non passerà il suo tempo a sfornare progetti per complicate costruzioni proteiche su richiesta. Il suo grande contributo sarà indiretto. “Il loro lavoro fa luce sul potere delle proteine e sul brillante futuro della progettazione di nuove proteine”, afferma Frances Arnold, biochimica del California Institute of Technology, che ha vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 2018 per aver migliorato le prestazioni delle proteine naturali attraverso un metodo chiamato diretto Evoluzione. “Ma non hanno risolto il problema della progettazione o dell’ingegneria delle proteine per risolvere i problemi delle persone”.
Quel lavoro toccherà agli Arnold e ai Baker di tutto il mondo, che stanno cercando di utilizzare le tecniche di DeepMind per potenziare le capacità dei loro laboratori di scolpire le proteine. “È un grande passo avanti”, afferma Baker, la cui squadra ha concluso ancora una volta un secondo lontano nella competizione. “Penso che farà funzionare ancora meglio ciò che già funziona bene.”
In questo momento c’è un problema enorme per le persone, per usare l’espressione di Arnold, che sta sconvolgendo il mondo. Quel problema è il COVID. Quando ha colpito, Baker e altri nel suo laboratorio hanno cercato soluzioni nelle proteine. Hanno inserito la sequenza genetica per il coronavirus in Rosetta, il loro programma per computer di previsione della struttura proteica, per produrre un modello 3D, quindi hanno analizzato attentamente i punti deboli come i piloti ribelli che pianificano un assalto alla Morte Nera. Come ha fatto Walls, si sono concentrati sull’RBD del picco. Ma invece di creare un vaccino per innescare la produzione di anticorpi, Baker voleva costruire un anticorpo migliore. Voleva una proteina il cui unico scopo fosse quello di intrappolare l’RBD come un microscopico velcro.
Per quanto sorprendenti, gli anticorpi non sono perfetti. Il corpo non può progettare in anticipo un anticorpo su misura per un agente patogeno che non ha mai visto, quindi produce molte versioni diverse. Quando si presenta un nuovo invasore, le cellule del sistema immunitario fanno molte copie di qualunque anticorpo si leghi meglio, ma l’adattamento non è sempre abbastanza stretto da fermare l’agente patogeno. Gli anticorpi naturali sono anche proteine relativamente grandi che non sono sempre in grado di portare a termine la loro attività contro l’RBD di un virus.
Inserisci i “mini raccoglitori”, come li chiama Baker. Queste sono piccole proteine sintetiche che possono essere progettate aminoacidi per aminoacidi per adattarsi precisamente contro l’RBD di un virus. Senza pezzi estranei, si legano più strettamente. E sono abbastanza piccoli e leggeri da essere somministrati attraverso uno spruzzo nel naso piuttosto che un’iniezione nel braccio. Niente aghi!
Il sogno di Baker era quello di creare un farmaco piuttosto che un vaccino: uno spray nasale che potesse essere utilizzato al primo segno di infezione, o preventivamente come prevenzione quotidiana, per inondare il naso con una nebbia di mini leganti che ricoprissero i globuli rossi delle particelle virali. prima che potessero attaccarsi a qualcosa. Avrebbe la lunga durata di conservazione di un sacchetto di lenticchie secche, e potrebbe essere rapidamente riformulato per qualsiasi nuovo agente patogeno e portato nelle mani di operatori sanitari, insegnanti e chiunque altro in prima linea, una sorta di sistema immunitario per la civiltà.
Un vaccino facile da produrre, che protegga dai virus mutanti che potrebbero emergere, potrebbe essere esattamente la soluzione di cui il mondo ha bisogno.
Per progettare il mini legante, Longxing Cao, un postdoc nel laboratorio di Baker che ha guidato il progetto, ha esplorato la struttura del virus RBD, confrontandola con la libreria di minuscole proteine che l’istituto aveva precedentemente progettato e cercando forme complementari. Come uno scalatore su una parete impegnativa, il mini raccoglitore doveva essere abbastanza piccolo da infilarsi nella fessura dove giaceva l’RBD, e doveva essere sagomato in modo da poter ottenere appigli saldi e appigli nei punti giusti. Cao ha catalogato dove gli amminoacidi dell’RBD hanno creato patch di cariche elettriche positive, patch di cariche negative e patch idrofobiche (che odiano l’acqua), quindi mini leganti su misura per avere il maggior numero possibile di patch complementari. Ha testato milioni di possibilità su Rosetta.
I migliori progetti erano costituiti da tre eliche collegate come salsicce da brevi stringhe di amminoacidi. Ogni mini legante era lungo circa 60 amminoacidi in totale, meno di un decimo delle dimensioni di un anticorpo e un ventesimo delle dimensioni di un picco di coronavirus.
Poi, ovviamente, Cao ha dovuto portare le sue proteine da Rosetta nel mondo reale. Sorprendentemente, quel processo è diventato banalmente facile. Il DNA (As, Cs, Gs e Ts del codice genetico) può essere stampato per pochi centesimi su dispositivi che assomigliano a stampanti a getto d’inchiostro. Cao ha stampato filamenti di DNA con la sequenza per il suo mini legante e li ha inseriti nel lievito, che, come il bestiame programmabile, ha pompato fuori quelle minuscole proteine insieme a quelle normali. Ha poi raccolto le proteine e le ha testate.
Il mini legante superiore ha legato il virus sei volte più efficacemente dei migliori anticorpi conosciuti, meglio di qualsiasi molecola del pianeta, infatti, formando dozzine di forti legami con l’RBD. Era straordinariamente stabile e spruzzava facilmente da un ugello. I criceti a cui è stato somministrato un snootful sono diventati immuni al COVID. “Ero decisamente emozionato”, dice Cao, “ma non del tutto sorpreso.” I ricercatori si aspettano che le sperimentazioni cliniche per i mini leganti inizino più avanti nel 2021 e un certo numero di laboratori in tutto il mondo stanno ora esplorando altri modi in cui le mini proteine potrebbero aiutare il corpo a funzionare o scongiurare le malattie.
Sebbene vi sia un grande ottimismo riguardo alla tecnologia, alcuni ricercatori in biosicurezza hanno espresso preoccupazione per le proteine che potrebbero essere progettate per scopi nefasti. I prioni, ad esempio, responsabili della “mucca pazza” e di altre malattie neurodegenerative, sono proteine mal ripiegate che a loro volta provocano il mal ripiegamento di altre proteine, innescando reazioni a catena mortali che sono trasmissibili; potrebbero essere erogati tramite aerosol. La Convenzione sulle armi biologiche, che praticamente tutte le nazioni hanno firmato, vieta di fatto lo sviluppo o l’uso di armi biologiche a base di agenti patogeni, ma nessuno ha mai pensato di estenderla per affrontare proteine che non hanno mai fatto parte di un organismo.
“Questa è una vera preoccupazione”, afferma l’esperta di biosicurezza Filippa Lentzos del King’s College di Londra, “perché le potenziali armi biologiche future non necessariamente ci faranno ammalare usando agenti patogeni”. Le mini proteine sintetiche possono o meno rientrare nel controllo della convenzione, afferma, “quindi lo status legale è una questione importante”.
Ma le mini proteine ingegnerizzate sono anche una minaccia estremamente improbabile, afferma Lentzos, e piuttosto in basso nella sua lista di preoccupazioni: “Se vuoi causare danni, perché dovresti rivolgerti a qualcosa di così sofisticato e complicato come la progettazione di proteine? Ci sono molte cose più accessibili in natura che potresti usare.” Le tossine e gli agenti patogeni presenti in natura sono già pronti e ovunque. Se vuoi davvero ferire le persone, ci sono modi più semplici.
In questo momento, i tipi utili di proteine de novo stanno attirando una quantità crescente di energia scientifica e competenza, e le molecole potrebbero arrivare in una clinica vicino a te. Poiché la maggior parte dei quasi otto miliardi di persone nel mondo attende un vaccino contro il COVID, la nanoparticella di Walls sembra un candidato promettente.
Dopo aver neutralizzato con successo lo pseudovirus nelle cellule di topo, il prossimo grande test del vaccino è stato contro il vero coronavirus. Per questo, Walls ha dovuto spedire i suoi topi al laboratorio dell’Università della Carolina del Nord di Ralph S. Baric, uno dei più importanti ricercatori sul coronavirus al mondo. La struttura ha il livello di biosicurezza necessario per lavorare con il virus vivo. Baric e i suoi colleghi vedono molti candidati al vaccino, quindi nel giugno 2020 Walls è stato lieto di ricevere da loro un’e-mail incoraggiante: il potere neutralizzante del vaccino a nanoparticelle era fuori scala, più alto di qualsiasi cosa avessero testato.
“Tutto ha funzionato meglio di quanto sperassimo!” dice i muri. Quando sono stati esposti al vero virus, i topi hanno fatto bene. “Completamente protetto. Nessun segno di malattia”. (Più tardi Walls ha scoperto che poteva ridurre di nove volte la dose già bassa, aggiungere un richiamo e ottenere risultati altrettanto buoni.) Nel gennaio di quest’anno il vaccino ha iniziato i primi studi clinici nello Stato di Washington e nella Corea del Sud.
Eppure, anche se questi studi stavano progredendo, il virus stava generando una nuova ondata di varianti con la capacità di eludere alcuni degli anticorpi innescati dalla prima generazione di vaccini. Così Walls è tornato al lavoro, progettando una nanoparticella nuova e migliorata. Invece di copie del solo RBD SARS-CoV-2, questa versione aveva un mosaico di quattro diversi RBD: alcuni da SARS-CoV-2, alcuni dal virus SARS originale dei primi anni 2000 e alcuni da altri due coronavirus. Questo ampio spettro di RBD ha suscitato una robusta risposta anticorpale contro tutti i coronavirus testati, inclusa la più sfuggente delle varianti.
Un vaccino che sia efficace in piccole dosi, che sia facile ed economico da produrre, che non richieda refrigerazione e che protegga da un mucchio di virus mutanti, compresi quelli che potrebbero emergere in futuro, potrebbe essere esattamente la soluzione di cui il mondo ha bisogno. Questi vantaggi hanno attirato l’attenzione dei pesi massimi del vaccino mondiale, incluso Rappuoli di GSK. “Non c’è dubbio che al nostro sistema immunitario piacciano le nanoparticelle”, dice. “Questi rappresentano la migliore opzione che abbiamo”. In un recente commento sulla rivista Cell, Rappuoli ha predetto che tali molecole di design inaugureranno una nuova era di vaccini: “Da qui, il cielo è il limite”.
E la capacità non si esaurirà con i vaccini. In questa nuova era degli amminoacidi, la capacità di progettare in modo intelligente nanomacchine su scala atomica potrebbe trasformare la lotta a ogni malattia in un esercizio di ingegneria. “Quando affrontiamo problemi che coinvolgono qualsiasi tipo di proteina, dobbiamo tenerlo a mente”, afferma Walls. “Dobbiamo guardare alla proteina e sapere che possiamo progettare soluzioni. Ogni giorno arrivano nuovi successi”.
Alcuni di questi successi arriveranno in aree diverse dalla medicina, come la scienza dei materiali. L’IPD ha inventato proteine che si autoassemblano in microscopiche griglie a nido d’ape che attraggono la deposizione di minerali, un nuovo modo per produrre superconduttori e batterie efficienti. Un altro progetto sta creando proteine che raccolgono luce, così come le proteine fotosintetiche delle piante e convertire quell’energia in elettricità e carburante.
Man mano che il kit di strumenti dell’Età degli Amino cresce, le proteine naturali che ora usiamo come aiuto, l’insulina per le persone con diabete, per esempio, possono sembrare arcaiche come le rocce affilate che usavano un tempo i nostri antenati dell’età della pietra. Allo stesso modo, le nostre attuali proteine di design, per quanto entusiasmanti siano, sono solo meridiane e ruote di carro. Le caratteristiche di un futuro paesaggio pieno di molecole su misura sono al di là del concepimento. Ma come le nuove proteine stesse, quelle caratteristiche, alla fine ed elegantemente, si piegheranno nella forma.
fonte: Scientific American Volume 325, Numero 1
Questo articolo è stato originariamente pubblicato con il titolo “Life, New and Improved” in Scientific American 325, 1, 28-37 (luglio 2021)
Artificial Proteins Never Seen Autore Rowan Jacobsen
