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Modelli artificiali di segnalazione cellulare

I sistemi di segnalazione consentono alla cellula di percepire il proprio ambiente e rispondere adeguatamente per il corretto sviluppo e l’omeostasi. Molte patologie umane, compresi cancro e diabete, derivano da errori in questi sistemi, sottolineando la necessità di potenti strumenti per consentirne lo studio e sviluppare terapie.
Modelli artificiali di segnalazione cellulare
Tradizionalmente, per studiare i pathway di segnalazione cellulare sono stati utilizzati i metodi della biologia biochimica e molecolare, concentrandosi esclusivamente sui singoli componenti dei pathway. Tuttavia, l'avvento di tecnologie omiche, come la genomica e la proteomica, assieme alla biologia dei sistemi, ha promosso una visione più olistica della segnalazione.

Per comprendere le macchine molecolari implicate nelle cascate di segnalazione, occorre una visione dettagliata della loro architettura e delle loro interazioni. Spesso, la scarsa abbondanza endogena o l’eterogeneità dei tessuti di determinate proteine ne impedisce l’estrazione, la purificazione e delucidazione della struttura. Gli scienziati spesso devono ricorrere a produzione e depurazione di ricombinanti in sistemi dicellule ospiti eterologhe. Tuttavia, ciò spesso rischia la compromissione del comportamento non fisiologico dei campioni esaminati.

Nel trattamento di patologie, quasi tutti i farmaci commercializzati dall’industria farmaceutica mirano ad agire sulle cascate di segnalazione. Secondo il consorzio SynSignal finanziato dall’UE, nuovi strumenti basati su approcci di biologia sintetica per studiare nuovi sistemi di segnalazione potrebbero aiutare ad eliminare alcune difficoltà incontrate nello sviluppo di prodotti.

Un approccio sintetico alla segnalazione

«I circuiti di segnalazione cellulare sintetici vengono considerati analoghi ai circuiti elettronici», spiega il Dott. Imre Berger, coordinatore del progetto. «Questo rende il sistema accessibile all’ingegnerizzazione». I collaboratori di SynSignal hanno progettato e ingegnerizzato i singoli elementi costitutivi della segnalazione e li hanno assemblati in vitro per produrre cascate sintetiche che assomigliano molto ai processi naturali.

«Ogni componente del circuito, codificato da una sequenza di DNA di struttura e funzione definite, è fisicamente intercambiabile con elementi costitutivi modulari compatibili», continua il Dott. Berger. Gli strumenti per l’assemblaggio del DNA e per la produzione di proteine hanno dimostrato un’ampia possibilità combinatoria e potrebbero essere applicati a diversi tipi di segnalazione.

I membri del progetto si sono concentrati sulla segnalazione iniziata dopo l'attivazione di recettori associati alla proteina G, un’ampia famiglia «hot» di proteine di membrana implicate in molti processi fisiologici, tra cui il gusto e l’olfatto. Soprattutto, questi pathway sintetici sono serviti come piattaforme di screening di nuovi farmaci per il trattamento di patologie come il cancro e il diabete. Sono stati creati anche nuovi metodi bioanalitici miniaturizzati con la spettrometria di massa e la microscopia crioelettronica.

I modelli meccanicistici e i pacchetti di software hanno aiutato ulteriormente l'analisi dei pathway di segnalazione e la progettazione di corrispondenti circuiti sintetici di segnalazione che imitano le funzioni naturali. Le strategie a schermata hanno fornito vantaggi unici per la scoperta molecolare e ora spianano la via a nuovi ingredienti alimentari, aromatizzanti ed esaltatori del gusto.

Applicazione degli strumenti di segnalazione sintetica

In generale, il progetto SynSignal ha prodotto piattaforme biologiche sintetiche innovative e materiali per cambiare il modo in cui scopriamo e produciamo nuovi prodotti e farmaci. «Le piattaforme SynSignal aumenteranno l’efficienza con la quale è possibile modificare, modulare e interferire con i pathway di segnalazione essenziali che dettano i processi cellulari», riassume il Dott. Berger.

Si ridurranno inoltre il costo dello sviluppo del prodotto e il tempo necessario alla commercializzazione di nuovi prodotti. Soprattutto, questo aprirà nuovi orizzonti per lo sviluppo di nuove categorie di agenti terapeutici potenti ed efficienti e faciliterà i progressi nella biotecnologia industriale e in altri mercati multimiliardari.

La politica aperta di innovazione perseguita da SynSignal consente ad aziende farmaceutiche e di biotecnologia industriale europee l’accesso alle tecnologie di scoperta di farmaci sviluppate da SynSignal. Questa politica non solo accelererà la scoperta nelle scienze della vita, ma fornirà anche vantaggi competitivi su scala globale. Poiché i sistemi di segnalazione vengono sempre più utilizzati anche al di fuori del settore farmaceutico, ad esempio nei settori alimentari e degli esaltatori del gusto, l'applicazione degli strumenti generati dallo studio si estende oltre i processi biomedici. Guardando al futuro, il Dott. Berger prevede «un enorme potenziale per la biologia sintetica di trasformare molte importanti aree di sfida socioeconomica, tra cui la tecnologia ecosostenibile e la scoperta e produzione di nuovi farmaci».

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Keywords

SYNSIGNAL, segnalazione, pathway, biologia sintetica, cascata