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Avanços em biologia sintética e edição de genoma levaram a uma indústria crescente a desenvolver linhas de células personalizadas para pesquisa médica. Essas linhas de células projetadas, no entanto, podem ser vulneráveis a erros de identificação, contaminação cruzada e replicação ilegal.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas desenvolveu um método inédito para criar um identificador exclusivo para cada cópia de uma linha celular para permitir que os usuários verifiquem sua autenticidade e protejam a propriedade intelectual (IP) do fabricante. Os engenheiros demonstraram o método em um estudo publicado online em 4 de maio e na edição impressa de 6 de maio de Avanços da ciência.
A tecnologia com patente pendente é o resultado de uma colaboração interdisciplinar entre os membros do corpo docente da UT Dallas. Os autores correspondentes do estudo são o Dr. Leonidas Bleris, professor de bioengenharia especializado em engenharia genética, e o Dr. Yiorgos Makris, professor de engenharia elétrica e de computação que é especialista em segurança de hardware eletrônico.
Linhas de células personalizadas são usadas no desenvolvimento de vacinas e terapias direcionadas para uma série de doenças. O mercado global de cultura de células está projetado para atingir US$ 41,3 bilhões até 2026, um aumento de US$ 22,8 bilhões em 2021, de acordo com uma previsão da empresa de pesquisa de mercado MarketsandMarkets.
A pesquisa dos engenheiros da UT Dallas para desenvolver identificadores exclusivos para células geneticamente modificadas foi inspirada nas chamadas funções fisicamente não clonáveis (PUFs) na indústria eletrônica. Um PUF é uma característica física que pode servir como uma “impressão digital” exclusiva para um dispositivo semicondutor, como um microprocessador. Nos semicondutores, os PUFs são baseados em variações naturais que ocorrem durante o processo de fabricação e devem atender a três requisitos: Devem ter uma impressão digital única, produzir a mesma impressão digital a cada medida e ser praticamente impossível de replicar.
Para aplicar esse conceito às células modificadas, os pesquisadores desenvolveram um processo de duas etapas que aproveita a capacidade da célula de reparar o DNA danificado, que é composto de sequências de pequenas moléculas chamadas nucleotídeos.
Primeiro, eles incorporaram uma biblioteca de códigos de barras de cinco nucleotídeos em uma parte do genoma da célula chamada porto seguro, onde a modificação não prejudicará a célula. Os códigos de barras sozinhos, no entanto, não satisfazem as três propriedades dos PUFs. Na segunda etapa, os pesquisadores usaram a ferramenta de edição de genes CRISPR para cortar o DNA nas proximidades do código de barras. Essa ação força a célula a reparar seu DNA usando nucleotídeos aleatórios, um processo chamado reparo de erros não homólogos. Durante esse processo de reparo, a célula naturalmente insere novos nucleotídeos no DNA e/ou exclui outros – coletivamente, esses são chamados de indels (inserções/deleções). Essas correções aleatórias, em combinação com os códigos de barras, criam um padrão único de nucleotídeos que pode ajudar a distinguir a linhagem celular de qualquer outra.
“A combinação do código de barras com o processo de reparo de erro celular inerentemente estocástico resulta em uma impressão digital única e irreprodutível”, disse Bleris, que também é professor Cecil H. e Ida Green em Ciências de Biologia de Sistemas.
Esta primeira geração de PUFs projetados por CRISPR fornece os meios para os pesquisadores confirmarem que as células foram produzidas por uma determinada empresa ou laboratório, um processo chamado atestado de proveniência. Com mais pesquisas, os engenheiros pretendem desenvolver um método para rastrear a idade de uma cópia específica de uma linhagem celular.
“As empresas que desenvolvem linhas celulares estão fazendo um grande investimento”, disse Bleris. “Precisamos de uma forma de diferenciar entre 1.000 cópias de um mesmo produto. Embora os produtos sejam idênticos, cada um deles tem um identificador único, que não pode ser replicado.”
Makris disse que o negócio de desenvolver células projetadas é tão novo que as empresas estão focadas em monetizar seus investimentos e não em atestados de segurança e procedência. Ele disse que a indústria de semicondutores era a mesma no início, até que incidentes de falsificação e adulteração destacaram a necessidade de medidas de segurança.
“Achamos que desta vez talvez possamos estar à frente da curva e ter essa capacidade desenvolvida quando a indústria perceber que precisa dela”, disse Makris. “Será tarde demais quando eles perceberem que foram hackeados e alguém monetizou seu IP.”
Outros autores do estudo incluem o Dr. Yi Li, cientista de pesquisa em bioengenharia; Mohammad Mahdi Bidmeshki PhD’18, ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Makris; Taek Kang, estudante de doutorado em engenharia biomédica e Eugene McDermott Graduate Fellow; e Chance M. Nowak, estudante de graduação em bioengenharia.
A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation, o Programa Semente para Pesquisa Interdisciplinar no Escritório de Pesquisa e Inovação da UT Dallas e a Iniciativa de Colaboração TxACE, que apóia colaborações de pesquisadores no Texas Analog Center of Excellence (TxACE) da Universidade com não – Membros do corpo docente do TxACE.
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