Tecnologia Científica

Membranas desbloqueiam potencial para aumentar amplamente a produção de vacinas livres de células
Ao quebrar uma membrana celular, cientistas da Northwestern University descobriram uma nova maneira de aumentar em cinco vezes o rendimento da produção de vacinas à base de proteína, ampliando significativamente o acesso a medicamentos
Por Northwestern University - 22/04/2021


Com a nova plataforma de biofabricação iVAX, os profissionais de saúde podem simplesmente adicionar água a um tubo de ensaio com componentes de vacina liofilizados. A água desencadeia uma reação química que ativa o sistema livre de células, transformando-o em um catalisador para a fabricação de remédios utilizáveis ​​quando e onde for necessário. Crédito: Justin Muir

Ao quebrar uma membrana celular, os biólogos sintéticos da Northwestern University descobriram uma nova maneira de aumentar em cinco vezes o rendimento da produção de vacinas à base de proteína, ampliando significativamente o acesso a medicamentos que podem salvar vidas.

Em fevereiro, os pesquisadores introduziram uma nova plataforma de biofabricação que pode rapidamente tornar as vacinas estáveis ​​em prateleira no ponto de atendimento, garantindo que não irão para o lixo devido a erros no transporte ou armazenamento. Em seu novo estudo, a equipe descobriu que o enriquecimento de extratos livres de células com membranas celulares - os componentes necessários para fazer vacinas conjugadas - aumentou enormemente os rendimentos de sua plataforma liofilizada.

O trabalho prepara o terreno para produzir rapidamente medicamentos que combatem o aumento das bactérias resistentes aos antibióticos , bem como novos vírus em 40.000 doses por litro por dia, custando cerca de US $ 1 por dose. Nesse ritmo, a equipe poderia usar um reator de 1.000 litros (do tamanho de um grande saco de lixo de jardim) para gerar 40 milhões de doses por dia, chegando a 1 bilhão de doses em menos de um mês.

"Certamente, na época do COVID-19, todos nós percebemos como é importante ser capaz de fazer medicamentos quando e onde precisamos deles", disse Michael Jewett da Northwestern, que liderou o estudo. "Este trabalho vai transformar a forma como as vacinas são feitas, inclusive para biodisponibilidade e resposta à pandemia."

A pesquisa será publicada em 21 de abril na revista Nature Communications .

Jewett é professor de engenharia química e biológica na McCormick School of Engineering da Northwestern e diretor do Center for Synthetic Biology da Northwestern. Jasmine Hershewe e Katherine Warfel, ambas estudantes de pós-graduação no laboratório de Jewett, são as coautoras do artigo.

"Para uma variedade de organismos, cerca de 30% do genoma é usado para codificar proteínas de membrana", disse a coautora do estudo Neha Kamat, professora assistente de engenharia biomédica da McCormick e especialista em membranas celulares. "As proteínas da membrana são uma parte realmente importante da vida. Aprendendo como usar as proteínas da membrana com eficácia, podemos realmente avançar os sistemas livres de células."


A nova plataforma de fabricação - chamada de expressão de vacina conjugada in vitro (iVAX) - é possível graças à biologia sintética livre de células , um processo no qual os pesquisadores removem a parede externa de uma célula (ou membrana ) e redirecionam sua maquinaria interna. Os pesquisadores então colocam esse maquinário reaproveitado em um tubo de ensaio e o liofilizam. Adicionar água desencadeia uma reação química que ativa o sistema livre de células, transformando-o em um catalisador para a fabricação de remédios utilizáveis ​​quando e onde for necessário. Permanecendo estável em prateleira por seis meses ou mais, a plataforma elimina a necessidade de cadeias de suprimentos complicadas e refrigeração extrema, tornando-a uma ferramenta poderosa para configurações remotas ou de poucos recursos .
 
Em um estudo anterior, a equipe de Jewett usou a plataforma iVAX para produzir vacinas conjugadas para proteger contra infecções bacterianas. Na época, eles reaproveitaram o maquinário molecular da Escherichia coli para fazer uma dose da vacina em uma hora, custando cerca de US $ 5 por dose.

"Ainda era muito caro e os rendimentos não eram altos o suficiente", disse Jewett. "Estabelecemos uma meta de chegar a US $ 1 por dose e alcançamos essa meta aqui. Aumentando os rendimentos e reduzindo os custos, pensamos que poderíamos facilitar um maior acesso a medicamentos que salvam vidas."

Jewett e sua equipe descobriram que a chave para atingir esse objetivo está dentro da membrana da célula, que é normalmente descartada na biologia sintética livre de células. Quando quebradas, as membranas se reagrupam naturalmente em vesículas, estruturas esféricas que carregam informações moleculares importantes. Os pesquisadores caracterizaram essas vesículas e descobriram que o aumento da concentração das vesículas poderia ser útil na produção de componentes para proteínas terapêuticas, como vacinas conjugadas , que funcionam anexando uma unidade de açúcar - que é exclusiva de um patógeno - a uma proteína transportadora. Ao aprender a reconhecer essa proteína como uma substância estranha, o corpo sabe como montar uma resposta imunológica para atacá-la quando for novamente encontrada.

Anexar esse açúcar à proteína transportadora , no entanto, é um processo difícil e complexo. Os pesquisadores descobriram que a membrana da célula continha maquinários que permitiam que o açúcar se ligasse mais facilmente às proteínas. Ao enriquecer os extratos da vacina com esta maquinaria ligada à membrana, os pesquisadores aumentaram significativamente o rendimento das doses utilizáveis ​​da vacina .

"Para uma variedade de organismos, cerca de 30% do genoma é usado para codificar proteínas de membrana", disse a coautora do estudo Neha Kamat, professora assistente de engenharia biomédica da McCormick e especialista em membranas celulares. "As proteínas da membrana são uma parte realmente importante da vida. Aprendendo como usar as proteínas da membrana com eficácia, podemos realmente avançar os sistemas livres de células."

 

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