Uno de los principales obstáculos que los que realizan investigaciones sobre los carbohidratos tratan constantemente de superar es la variedad limitada de herramientas disponibles para descifrar el papel de los azúcares. Como solución alternativa, la mayoría de los investigadores utilizan lectinas (proteínas de unión al azúcar) aisladas de plantas u hongos, pero son grandes, tienen una unión débil y están limitadas en su especificidad y en el alcance de los azúcares que detectan. En un nuevo estudio publicado en ACS Chemical Biology, los investigadores del grupo de la profesora Barbara Imperiali han desarrollado una plataforma para abordar esta deficiencia.

"El desafío con los polímeros de carbohidratos es que su biosíntesis no está impulsada por plantillas", dice Imperiali, autor principal del estudio y profesor en los departamentos de Química y Biología. “La biología, la medicina y la biotecnología se han visto impulsadas por los avances tecnológicos de las proteínas y los ácidos nucleicos. El campo de los carbohidratos está terriblemente rezagado y está buscando herramientas desesperadamente”.

Identificación de proteínas de unión a carbohidratos

La biosíntesis de carbohidratos requiere que cada enlace entre las moléculas de azúcar individuales sea hecho por una enzima en particular, y no existe una forma fácil de descifrar las estructuras y secuencias de los carbohidratos complejos. Se pueden generar anticuerpos contra los carbohidratos, pero hacerlo es desafiante, costoso y da como resultado una molécula que es mucho más grande de lo que realmente se necesita para la investigación. Un recurso ideal para este campo plagado de mecanismos limitados sería el descubrimiento de proteínas de unión, de tamaño limitado, que reconocen pequeños trozos de carbohidratos para unir una estructura mediante el uso de esos aglutinantes, o métodos para detectar e identificar carbohidratos particulares dentro de estructuras complicadas.

Los autores de este estudio utilizaron la evolución dirigida y un diseño de pantalla inteligente para identificar las proteínas que se unen a los carbohidratos de las proteínas que no tienen absolutamente ninguna capacidad para unirse a los carbohidratos. Sus hallazgos sientan las bases para identificar proteínas de unión a carbohidratos con especificidad diversa y programable.

Racionalización para la colaboración

Este avance permitirá a los investigadores perseguir un objetivo de azúcar definido por el usuario sin verse limitado por lo que hace una lectina o desafiado por la capacidad de generar anticuerpos. Estos resultados podrían servir para inspirar futuras colaboraciones con comunidades de ingeniería para maximizar la eficiencia de la tubería de visualización de superficie de levadura de glicobiología. Tal como está, esta tubería funciona bien para las proteínas, pero los azúcares son objetivos mucho más difíciles y requieren que se modifique la tubería. 

En términos de futuras aplicaciones, el potencial de esta innovación va desde el diagnóstico hasta, a largo plazo, el tratamiento, y allana el camino para colaboraciones con investigadores del MIT y más allá. Por ejemplo, el grupo de investigación de la profesora de química Laura Kiessling trabaja con Mycobacterium tuberculosis (Mtb), que tiene una composición de pared celular inusual con azúcares únicos, distintos y exclusivos. Usando este método, un aglutinante podría potencialmente evolucionar a esa característica particular en Mtb. El profesor de ingeniería química Hadley Sikes desarrolla herramientas de diagnóstico basadas en papel donde se establece el compañero de unión para un epítopo o marcador en particular y, con el uso de este descubrimiento, a largo plazo, se podría desarrollar un dispositivo de ensayo de flujo lateral.

Sentar las bases para futuras soluciones

En el cáncer, ciertos azúcares están sobrerrepresentados en las superficies celulares, por lo que, en teoría, los investigadores pueden utilizar este hallazgo, que también se puede etiquetar, para desarrollar una herramienta a partir del aglutinante de glucano evolucionado para la detección.

Este descubrimiento también contribuye significativamente a mejorar la imagen celular. Los investigadores pueden modificar los aglutinantes con un fluoróforo utilizando una estrategia de ligación simple y luego pueden elegir el mejor fluoróforo para la obtención de imágenes de tejidos o células. El grupo de Kiessling, por ejemplo, podría aplicar pequeños aglutinantes de proteínas marcados con fluoróforo para detectar azúcares bacterianos para iniciar la clasificación celular activada por fluorescencia para sondear una mezcla compleja de microbios. Esto, a su vez, podría usarse para determinar cómo se ha alterado el microbioma de un paciente. También tiene el potencial de examinar el microbioma de la boca de un paciente o su tracto gastrointestinal superior o inferior para leer el desequilibrio dentro de la comunidad utilizando este tipo de reactivos. En un futuro más lejano.