Como a engenharia genética pode acelerar o desenvolvimento de vacinas

Em janeiro, a Food and Drug Administration dos EUA concedeu o status de avanço a uma vacina para a doença pneumocócica bacteriana. Desenvolvido pela Vaxcyte em San Carlos, Califórnia, o VAX-24 induz uma reação imune ao Streptococcus pneumoniae, ao expor o corpo a açúcares bacterianos ligados a uma proteína transportadora, conhecida como vacina de proteína conjugada.

O PREVNAR-20, líder de mercado, produzido pela gigante farmacêutica norte-americana Pfizer, tem um design semelhante. Mas enquanto os conjugados de proteína do PREVNAR-20 são purificados de bactérias, os do VAX-24 são construídos bioquimicamente.

A Vaxcyte faz parte de um número crescente de empresas de biomanufatura, que adotam essa estratégia de biossíntese livre de células. Em vez de depender de leveduras ou bactérias para fazer biomoléculas, a abordagem remove todos os componentes de uma célula que a tornam “viva”, as longas cadeias de DNA, o complexo origami do retículo endoplasmático, e até mesmo o baluarte da membrana celular, e liofiliza o que resta. Os cientistas podem então reidratar o material seco com água e adicionar ácidos nucleicos, para programar a maquinaria molecular para produzir uma variedade infinita de proteínas sob demanda.

Tobias Erb, fisiologista microbiano do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre em Marburg, Alemanha, compara o processo ao uso de uma mistura de bolo comercial: basta adicionar água e assar. Para Michael Jewett, engenheiro químico e biológico da Northwestern University em Evanston, Illinois, a estratégia é mais como abrir o capô de um carro, remover o motor e reaproveitá-lo para acionar uma furadeira.

“Ele permite que a biologia se torne mais diversificada quimicamente e, ao mesmo tempo, permite que a química se torne mais complexa”, diz Erb. Jewett mostrou, por exemplo, que os ribossomos em sistemas livres de células podem ser usados para construir biopolímeros com novos esqueletos químicos, bem como proteínas. Outros pesquisadores usaram sistemas livres de células para sintetizar proteínas usando aminoácidos não padronizados.

Os pesquisadores têm usado sistemas livres de células para reações bioquímicas há décadas, mas principalmente no laboratório de pesquisa. Agora, graças aos avanços em confiabilidade e escala, a síntese livre de células está emergindo como uma ferramenta importante para tudo, desde o desenvolvimento de sensores de diagnóstico até a biofabricação de vacinas.

Ainda assim, os desafios permanecem. A simplicidade simplificada que torna os sistemas livres de células tão desejáveis, também complica as principais modificações de proteínas, incluindo a fixação de carboidratos (glicosilação) e o dobramento assistido por chaperonas moleculares. Esses obstáculos precisarão ser superados antes que as tecnologias livres de células possam ser usadas para a fabricação biofarmacêutica e outras aplicações.

Mas fazer isso, diz Matthew DeLisa, um bioengenheiro da Cornell University em Ithaca, Nova York, é realmente apenas uma questão de engenharia. “Sistemas livres de células”, diz ele, “transformam a síntese de proteínas em um problema mais químico do que biológico”.

De cerveja para biofármacos

Desde os processos de fermentação natural que produzem queijo e pão, até células de bioengenharia que podem bombear insulina, as pessoas há muito tempo usam células como fábricas vivas.

Mas processos eficientes requerem um equilíbrio cuidadoso, os bioengenheiros devem competir contra a maquinaria interna da célula, que está mais interessada em ajudar a célula a crescer e se dividir, do que em fazer um trabalho industrialmente útil.

“As células realmente não querem fazer produtos sustentáveis. Eles não querem fazer insulina para nós, não querem servir de diagnóstico. De uma perspectiva evolutiva, esse não é o objetivo principal”, diz Jewett.
Para tornar o processo mais eficiente, os cientistas abrem (ou lisam) células vivas para extrair o maquinário molecular de interesse, deixando outros componentes para trás. Em 1907, o químico alemão Eduard Buchner ganhou o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho, usando lisados de levedura sem células para demonstrar a bioquímica da fermentação. Cerca de meio século depois, pesquisadores dos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA usaram extratos livres de células bacterianas para decifrar o código genético.

“Você tem todos os benefícios de trabalhar com um sistema vivo sem toda a sobrecarga problemática”, diz Elizabeth Strychalski, que lidera o Cellular Engineering Group no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA em Gaithersburg, Maryland.

Então, por que a biomanufatura demorou a adotar a tecnologia? Em parte, é simplesmente devido à inércia. “Levou muito tempo para as pessoas entenderem a ideia de que não precisamos de um organismo vivo para fazer um metabolismo complexo, para fazer rearranjos moleculares complexos, até mesmo para produzir proteínas complexas”, diz James Swartz, engenheiro químico. na Universidade de Stanford, na Califórnia.

Proteínas sob demanda

Uma razão para a transição lenta é que tem sido mais barato e fácil cultivar grandes quantidades de bactérias e leveduras do que realizar reações bioquímicas, que requerem reagentes caros, fontes de energia e outros materiais. As células também realizam essas reações em uma ordem definida, algo difícil de garantir em um frasco. E podem gerar maiores rendimentos do produto desejado.

Mas agora, anos de ajustes moleculares tornaram os sistemas livres de células mais eficientes e econômicos. O maior fator por trás do crescente interesse da indústria, diz Michael Nemzek, executivo-chefe da Tierra Biosciences em San Leandro, Califórnia, são as melhorias em tecnologias periféricas, como síntese de DNA longo e miniaturização, que facilitam a produção de proteínas mais longas, e depois testá-las em pequenos lotes.

O outro avanço importante, diz Jewett, envolve o armazenamento. Em vez de exigir refrigeração e uma complexa cadeia de frio, os pesquisadores podem armazenar a maioria das preparações sem células indefinidamente, e reidratá-las conforme necessário. “É como sorvete liofilizado, algo que você pode transportar para onde quer que vá”, diz ele. Isso dá à tecnologia velocidade e flexibilidade adicionais, recursos que muitas vezes faltam na cadeia global de fornecimento de vacinas.

Apesar dos rápidos avanços na tecnologia de RNA mensageiro, a maioria das vacinas do mundo é feita de conjugados de proteínas, que usam uma dupla polissacarídeo-proteína, para provocar uma resposta imune. Teoricamente, diz Jewett, um laboratório poderia reidratar um extrato celular liofilizado e começar a produzir essas vacinas em uma hora. As autoridades de saúde pública não precisariam esperar que as empresas farmacêuticas enviassem doses do outro lado do mundo, diz a bioengenheira de Stanford, Jessica Stark. Farmácias e departamentos de saúde poderiam fazer vacinas e terapêuticas sob demanda.

“A pandemia do COVID-19 realmente esclareceu o fato de que precisamos de melhores maneiras de fabricar e distribuir medicamentos muito rapidamente para lidar com patógenos emergentes”, diz Stark.

A parceira da Vaxcyte, a Sutro Biopharma em South San Francisco, Califórnia, conta com a biossíntese livre de células para projetar, descobrir e sintetizar proteínas terapêuticas para o câncer, incluindo anticorpos que fornecem medicamentos a células específicas, ou que reconhecem dois antígenos em vez de apenas um, bem como proteínas do sistema imunológico chamadas citocinas. A Tierra Biosciences usa biossíntese sem células para criar tudo, desde proteínas personalizadas para descoberta de medicamentos e ensaios clínicos, até bibliotecas de peptídeos para triagem e pesquisa. “Você pode enviar uma sequência de proteína, esperar algumas semanas e enviaremos um pacote por FedEx”, diz Nemzek.

Khalid Alam, executivo-chefe da Stemloop em Evanston, Illinois, levou sua empresa a uma direção diferente. Em vez de drogas, a empresa usa sistemas livres de células para criar biossensores, a partir de proteínas de ligação ao DNA, chamadas fatores de transcrição. Essas proteínas são ativadas por moléculas no ambiente, para induzir a expressão de uma proteína fluorescente ou codificada por cores, que o usuário pode ver. Alam espera uma ampla gama de aplicações, desde o tratamento de doenças infecciosas até a detecção de metais pesados na água potável, o que Jewell compara a “um teste de gravidez para água”.
“Nossa missão é liberar esse poder que a biologia tem de sentir e responder às mudanças nas condições do meio ambiente”, diz Alam. Os sensores “capacitam qualquer pessoa a sentir o mundo ao seu redor”.

Seguindo em frente

Atraído pela possibilidade de construir terapias e biossensores sob demanda, o Exército dos EUA concedeu US$ 13 milhões em março passado, para financiar um novo Cell-Free Biomanufacturing Institute na Northwestern University, com Jewett no comando. Seu objetivo é abordar questões contínuas de custo, rendimento e reprodutibilidade, para facilitar o uso mais amplo de sistemas livres de células.

Os anticorpos, por exemplo, tornaram-se o pão com manteiga para muitas empresas farmacêuticas, e DeLisa diz que a capacidade de sintetizar essas moléculas usando métodos livres de células, seria uma “virada de jogo”. Mas mesmo o anticorpo mais simples permanece muito complexo para as plataformas livres de células existentes, diz ele. Não há razão fundamental para que a tecnologia não possa sintetizar um anticorpo, mas os cientistas ainda precisam descobrir como fazê-lo com precisão. Parte do problema é o dobramento: muitas proteínas complexas requerem outras proteínas chamadas chaperonas para atingir sua forma final.

Há também a questão pegajosa da glicosilação. Metade de todas as proteínas humanas são marcadas com grupos de carboidratos, que controlam sua atividade. Os sistemas livres de células de bactérias carecem da maquinaria para adicionar açúcares às proteínas, enquanto os extratos de células de mamíferos podem afixar modificações químicas desejadas e indesejadas. DeLisa e outros estão desenvolvendo módulos específicos de glicosilação para extratos livres de células bacterianas, que permitiriam aos pesquisadores manter o controle sobre o processo e mantê-lo preciso.

Outro obstáculo, diz Strychalski, é a falta de ferramentas para fazer com que as reações livres de células, funcionem mais como um código de computador do que como uma alquimia. Ela, por exemplo, está trabalhando em sondas refinadas que permitiriam aos pesquisadores acompanhar as reações no nível molecular, em vez de apenas indicar o sucesso no final.

Mesmo que esses obstáculos sejam superados, a síntese sem células provavelmente nunca substituirá completamente sua contraparte baseada em células, diz Strychalski. Algumas empresas já otimizaram suas instalações de produção para trabalhar com células, e algumas moléculas sempre podem ser mais fáceis e baratas de produzir dessa maneira.

Apesar de toda a sua aparente simplicidade, os sistemas sem células permanecem extremamente complexos. Os pesquisadores ainda não têm um bom controle sobre o que está acontecendo no tubo de ensaio para modelá-lo e ampliá-lo de forma eficaz. Mas, à medida que os sistemas livres de células ocupam seu lugar no conjunto de ferramentas de biofabricação, eles oferecem aos pesquisadores uma opção nova e cada vez mais atraente: basta adicionar água.

Referente ao artigo publicado em Nature. 

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