Quando as pessoas ouvem toxina botulínica, muitas vezes pensam em uma de duas coisas: um cosmético que faz desaparecer as linhas de expressão ou um veneno mortal.

Mas o “veneno milagroso”, como também é conhecido, foi aprovado pelo FDA para tratar um conjunto de doenças como enxaquecas crônicas, piscar descontrolado e certos espasmos musculares. E agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Harvard e do Broad Institute provaram, pela primeira vez, que poderiam desenvolver rapidamente a toxina em laboratório para atingir uma variedade de proteínas diferentes, criando um conjunto de proteínas superseletivas sob medida chamadas proteases com potencial para ajudar na neuroregeneração, regular os hormônios do crescimento, acalmar a inflamação desenfreada ou amortecer a resposta imune com risco de vida chamada tempestade de citocinas.

“Em teoria, há um teto muito alto para o número e o tipo de condições nas quais você pode intervir”, disse Travis Blum, pesquisador de pós-doutorado do Departamento de Química e Biologia Química e primeiro autor do estudo publicado na Ciência. O estudo foi o culminar de uma colaboração com Min Dong, um professor associado da Harvard Medical School, e David Liu, o Thomas Dudley Cabot Professor of the Natural Sciences, um Howard Hughes Medical Institute Investigator, e um membro do corpo docente do Broad Instituto.

Juntos, a equipe conseguiu dois primeiros: eles reprogramaram com sucesso as proteases - enzimas que cortam proteínas para ativá-las ou desativá-las - para cortar alvos de proteína inteiramente novos, mesmo alguns com pouca ou nenhuma semelhança com os alvos nativos das proteases iniciais, e simultaneamente evitar engajar seus alvos originais. Eles também começaram a abordar o que Blum chamou de “desafio clássico da biologia”: projetar tratamentos que possam atravessar uma célula. Ao contrário da maioria das proteínas grandes, as proteases da toxina botulínica podem entrar nos neurônios em grande número, dando-lhes um alcance mais amplo que os torna ainda mais atraentes como potenciais terapêuticos.

Agora, a tecnologia da equipe pode desenvolver proteases personalizadas com instruções sob medida para qual proteína cortar. “Tal capacidade poderia tornar viável a 'edição do proteoma'”, disse Liu, “de forma a complementar o recente desenvolvimento de tecnologias para editar o genoma”.

As tecnologias atuais de edição de genes geralmente visam doenças crônicas como a anemia falciforme, causada por um erro genético subjacente. Corrija o erro e os sintomas desaparecem. Mas algumas doenças agudas, como danos neurológicos após um derrame, não são causadas por um erro genético. É aí que entram as terapias baseadas em protease: as proteínas podem ajudar a aumentar a capacidade do corpo de curar algo como danos nos nervos por meio de um tratamento temporário ou mesmo único.

Os cientistas estão ansiosos para usar proteases para tratar doenças há décadas. Ao contrário dos anticorpos, que só podem atacar substâncias estranhas específicas no corpo, as proteases podem encontrar e se ligar a qualquer número de proteínas e, uma vez ligadas, podem fazer mais do que apenas destruir seu alvo. Eles poderiam, por exemplo, reativar proteínas dormentes.

“Apesar dessas características importantes, as proteases não foram amplamente adotadas como terapêutica humana”, disse Liu, “principalmente por causa da falta de uma tecnologia para gerar proteases que clivam alvos de proteínas de nossa escolha”.

Mas Liu tem um ás tecnológico no bolso: PACE (que significa evolução contínua assistida por fagos). Uma invenção do laboratório Liu, a plataforma desenvolve rapidamente novas proteínas com recursos valiosos. O PACE, disse Liu, pode desenvolver dezenas de gerações de proteínas por dia com o mínimo de intervenção humana. Usando o PACE, a equipe primeiro ensinou as chamadas proteases “promíscuas” – aquelas que naturalmente atingem uma ampla faixa de proteínas – a parar de cortar certos alvos e se tornar muito mais seletivas. Quando isso funcionou, eles passaram para o desafio maior: ensinar uma protease a reconhecer apenas um alvo totalmente novo, fora de sua casa do leme natural.

“No início”, disse Blum, “não sabíamos se era viável pegar essa classe única de proteases e evoluí-las ou ensiná-las a separar algo novo porque isso nunca havia sido feito antes”. (“Foi um tiro na lua para começar”, disse Michael Packer, um ex-membro do laboratório Liu e autor do artigo). Mas as proteases superaram as expectativas da equipe. Com o PACE, eles desenvolveram quatro proteases de três famílias de toxina botulínica; todos os quatro não tiveram atividade detectada em seus alvos originais e cortaram seus novos alvos com um alto nível de especificidade (variando de 218 a mais de 11,000,000 vezes). As proteases também mantiveram sua valiosa capacidade de entrar nas células. “Você acaba com uma ferramenta poderosa para fazer terapia intracelular”, disse Blum. "Em teoria."

“Em teoria” porque, embora este trabalho forneça uma base sólida para a geração rápida de muitas novas proteases com novas capacidades, muito mais trabalho precisa ser feito antes que essas proteases possam ser usadas para tratar humanos. Também existem outras limitações: as proteínas não são ideais como tratamentos para doenças crônicas porque, com o tempo, o sistema imunológico do corpo as reconhecerá como substâncias estranhas e as atacará e desativará. Embora a toxina botulínica dure mais do que a maioria das proteínas nas células (até três meses em oposição ao ciclo de vida típico da proteína de horas ou dias), as proteínas evoluídas da equipe podem acabar com vidas mais curtas, o que pode diminuir sua eficácia.

Ainda assim, como o sistema imunológico leva tempo para identificar substâncias estranhas, as proteases podem ser eficazes para tratamentos temporários. E, para contornar a resposta imune, a equipe também está procurando desenvolver outras classes de proteases de mamíferos, uma vez que o corpo humano é menos propenso a atacar proteínas que se assemelham às suas. Como seu trabalho com proteases de toxina botulínica provou ser tão bem-sucedido, a equipe planeja continuar a mexer com elas também, o que significa continuar sua colaboração frutífera com Min Dong, que não apenas tem a permissão necessária dos Centros de Controle de Doenças (CDC) para trabalham com toxina botulínica, mas fornecem uma perspectiva crítica sobre as potenciais aplicações médicas e alvos para as proteases.

“Ainda estamos tentando entender as limitações do sistema, mas em um mundo ideal”, disse Blum, “podemos pensar em usar essas toxinas para clivar teoricamente qualquer proteína de interesse”. Eles só precisam escolher quais proteínas seguir.

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