Framsteg inom syntetisk biologi och genomredigering har lett till att en växande industri utvecklar individualiserade cellinjer för medicinsk forskning. Emellertid kan dessa konstruerade cellinjer vara känsliga för felidentifiering, korskontaminering och illegal duplicering.
Ett team av forskare vid University of Texas i Dallas har utvecklat den första i sitt slag för att tillåta användare att verifiera dess äkthet och skapa en unik identifierare för varje kopia av cellinjen för att skydda tillverkarens immateriella rättigheter (IP). Ingenjörer demonstrerade denna metod i en studie publicerad online i en tryckt upplaga den 4 maj och 6 maj. Framsteg inom vetenskapen.
Den patenterade teknologin är resultatet av tvärvetenskapligt samarbete mellan medlemmar av UT Dallas fakulteten. Medförfattarna till studien är Dr. Professor of Bioengineering, som är specialiserad på genteknik. Dr Leonidas Bleris, professor i el- och datateknik, expert på säkerheten hos elektronisk utrustning. Yiorgos är Makris.
Särskilda cellinjer används i utvecklingen av vacciner och riktade behandlingar för ett antal sjukdomar. Den globala cellodlingsmarknaden beräknas växa från 22,8 miljarder dollar 2021 till 41,3 miljarder dollar 2026, enligt marknadsundersökningsföretaget MarketsandMarkets.
Forskningen utförd av UT Dallas ingenjörer för att utveckla unika identifierare för genetiskt modifierade celler inspirerades av funktioner inom elektronikindustrin som kallas funktioner som inte kan klonas fysiskt (PUF). PUF är en fysisk funktion som kan fungera som ett unikt “fingeravtryck” för en halvledarenhet som en mikroprocessor. PUFs i halvledare är baserade på naturliga förändringar som sker under tillverkningsprocessen och måste uppfylla tre krav: De måste ha ett unikt fingeravtryck, producera samma fingeravtryck vid varje mätning och vara praktiskt taget omöjliga att replikera.
För att tillämpa detta koncept på ingenjörsceller utvecklade forskarna en tvåstegsprocess som använder cellens förmåga att reparera skadat DNA, som består av en sekvens av små molekyler som kallas nukleotider.
Inledningsvis placerades ett streckkodsbibliotek med fem nukleotider i en del av cellens genom som kallas den säkra porten, där modifiering inte skulle skada cellen. Enstaka streckkoder ger dock inte de tre egenskaperna hos PUF. I det andra steget använde forskarna genredigeringsverktyget CRISPR för att klippa DNA nära streckkoden. Denna åtgärd tvingar cellen att reparera DNA med hjälp av slumpmässiga nukleotider, en process som kallas icke-homolog felreparation. Under denna reparationsprocess infogar cellen naturligt nya nukleotider i DNA och/eller raderar andra – gemensamt kallade indels (deletioner). Dessa slumpmässiga justeringar, tillsammans med streckkoderna, skapar ett unikt nukleotidmönster som hjälper till att skilja cellinjen från alla andra.
“Kombinationen av streckkodning med processen att reparera stokastiska cellfel resulterar naturligtvis i ett unikt och oefterhärmligt fingeravtryck”, säger Blairis, som också är professor i systembiologi vid Cecil H. och Ida Green.
Dessa första generationens CRISPR-konstruerade PUF:er ger forskare verktyg för att bekräfta att celler produceras av ett visst företag eller laboratorium, en process som kallas ursprungscertifiering. Med ytterligare forskning siktar ingenjörer på att utveckla en metod för att spåra åldern på en viss kopia av cellinjen.
“Företag som utvecklar cellinjer gör en enorm investering,” sa Blairis. ”Vi behöver en metod för att skilja 1 000 exemplar av samma produkt. Även om produkterna är desamma har var och en av dem en unik identifierare som inte kan dupliceras.”
Makris sa att utvecklingsverksamheten för ingenjörsceller är så ny att företag fokuserar på att tjäna pengar på sina investeringar, inte säkerhet och ursprungscertifikat. Han sa att halvledarindustrin från början var densamma tills bedrägeri och förfalskningstillbud visade på behovet av säkerhetsåtgärder.
“Vi tror att vi kanske den här gången kan komma före kurvan och utveckla den förmågan tills branschen förstår vad de behöver,” sa McRae. “Det kommer att vara för sent när de inser att de har blivit hackade och att någons IP-adresser tjänar pengar.”
Bland de andra författarna till studien, forskare inom bioteknik Dr. Yi Li; Mohammad Mehdi Bidmeshki PhD’18, tidigare postdoktor i Makris laboratorium; Taek Kang, doktorand i biomedicinsk teknik och examen från Eugene McDermott; och Master of Bioengineering Chance M. Nowak.
Forskningen finansierades av National Science Foundation, Seed Program for Interdisciplinary Research vid UT Dallas Research and Innovation Office och TxACE Collaboration Initiative, som stödjer forskare som samarbetar med oidentifierade forskare vid Universitys Texas Analogue Excellence Center (TxACE). -TxACE lärarpersonal.
