Достижения в области синтетической биологии и редактирования генома привели к растущей отрасли по разработке индивидуальных клеточных линий для медицинских исследований. Однако эти сконструированные клеточные линии могут быть уязвимы для неправильной идентификации, перекрестного загрязнения и незаконной репликации.
Группа исследователей Техасского университета в Далласе разработала первый в своем роде метод создания уникального идентификатора для каждой копии клеточной линии, позволяющий пользователям проверять ее подлинность и защищать интеллектуальную собственность (ИС) производителя. Инженеры продемонстрировали метод в исследовании, опубликованном в Интернете 4 мая и в печатном издании Science Advances от 6 мая .
Запатентованная технология является результатом междисциплинарного сотрудничества преподавателей UT Dallas. Соавторами исследования являются доктор Леонидас Блерис, профессор биоинженерии, специализирующийся на генной инженерии , и доктор Йоргос Макрис, профессор электротехники и вычислительной техники, эксперт по безопасности электронного оборудования.
Индивидуальные клеточные линии используются при разработке вакцин и таргетных методов лечения ряда заболеваний. Согласно прогнозу исследовательской компании MarketsandMarkets, к 2026 году мировой рынок клеточных культур достигнет 41,3 миллиарда долларов, что больше, чем 22,8 миллиарда долларов в 2021 году.
Исследование инженеров UT Dallas по разработке уникальных идентификаторов для генно-инженерных клеток было вдохновлено так называемыми физически неклонируемыми функциями (PUF) в электронной промышленности. PUF — это физическая характеристика, которая может служить уникальным «отпечатком пальца» для полупроводникового устройства, такого как микропроцессор. В полупроводниках PUF основаны на естественных вариациях, возникающих в процессе производства, и должны отвечать трем требованиям: они должны иметь уникальный отпечаток, давать один и тот же отпечаток при каждом измерении и их практически невозможно воспроизвести.
Чтобы применить эту концепцию к сконструированным клеткам, исследователи разработали двухэтапный процесс , в котором используется способность клетки восстанавливать поврежденную ДНК, состоящую из последовательностей небольших молекул, называемых нуклеотидами.
Во-первых, они внедрили библиотеку штрих-кодов из пяти нуклеотидов в часть генома клетки, называемую безопасной гаванью, где модификация не повредит клетке. Однако сами по себе штрих-коды не удовлетворяют трем свойствам PUF. На втором этапе исследователи использовали инструмент редактирования генов CRISPR, чтобы разрезать ДНК рядом со штрих-кодом. Это действие заставляет клетку восстанавливать свою ДНК, используя случайные нуклеотиды, этот процесс называется негомологичной репарацией ошибок. Во время этого процесса восстановления клетка естественным образом вставляет новые нуклеотиды в ДНК и/или удаляет другие — все вместе они называются инделами (вставками/делециями). Эти случайные исправления в сочетании со штрих-кодами создают уникальную структуру нуклеотидов, которая может помочь отличить клеточную линию от любой другой.
«Сочетание штрихового кодирования с изначально стохастическим процессом исправления клеточных ошибок приводит к созданию уникального и невоспроизводимого отпечатка пальца», — сказал Блерис, который также является профессором системной биологии имени Сесила Х. и Иды Грин.
Это первое поколение PUF, разработанных с помощью CRISPR, предоставляет исследователям средства для подтверждения того, что клетки были произведены данной компанией или лабораторией, процесс, называемый аттестацией происхождения. В дальнейших исследованиях инженеры стремятся разработать метод отслеживания возраста конкретной копии клеточной линии.
«Компании, разрабатывающие клеточные линии , делают огромные инвестиции, — сказал Блерис. «Нам нужен способ различать 1000 копий одного и того же продукта. Несмотря на то, что продукты идентичны, каждый из них имеет уникальный идентификатор, который невозможно воспроизвести».
Макрис сказал, что бизнес по разработке инженерных ячеек настолько нов, что компании сосредоточены на монетизации своих инвестиций, а не на безопасности и подтверждении происхождения. Он сказал, что в полупроводниковой промышленности сначала было то же самое, пока инциденты с подделкой и фальсификацией не выявили необходимость мер безопасности.
«Мы думаем, что на этот раз, возможно, мы сможем опередить кривую и разработаем эту возможность к тому времени, когда отрасль поймет, что она им нужна», — сказал Макрис. «Будет слишком поздно, когда они поймут, что их взломали и кто-то монетизировал их интеллектуальную собственность».
