RECURSO DE TECNOLOGIA 

26 DE janeiro DE 2021

Sete tecnologias para aguardar em 2021

As considerações do COVID dominam sem surpresa os desenvolvimentos tecnológicos que podem ter um grande impacto no próximo ano.

Esther Landhuis

Este ano parece promissor para o desenvolvimento de tecnologias, dos avanços nas vacinas ao olfato, da neurociência à espectrometria de massa, os pesquisadores descrevem as ferramentas e técnicas que geram entusiasmo em suas disciplinas.

NICK JACKSON: Vacinas termicamente estáveis

Chefe de programas e tecnologia para pesquisa e desenvolvimento no CEPI em Londres.

Na Coalition for Epidemic Preparedness Innovations (CEPI), uma coalizão global lançada em 2017 para desenvolver vacinas contra doenças infecciosas emergentes, estamos interessados ​​em tecnologias de vacinas que impulsionam velocidade, escala e acesso. Isso inclui a velocidade com que as vacinas são comprovadamente seguras e eficazes e como podem ser fabricadas em escala e distribuídas a populações vulneráveis ​​para que todos tenham acesso.

Em nenhum outro momento isso se mostrou mais urgente do que na contínua pandemia de COVID-19, durante a qual vacinas de RNA mensageiro dentro de nanopartículas lipídicas passaram da sequência para a prova clínica de conceito para a análise provisória em tempo recorde. Demorou menos de quatro meses para a empresa de biotecnologia Moderna e a empresa de medicamentos Pfizer irem da sequência ao teste de fase I, o que é incrível quando o desenvolvimento normalmente leva anos ou décadas. Essas vacinas já estão sendo distribuídas ao público para uso emergencial.

Mas elas poderiam funcionar ainda melhor, uma poderosa inovação recente tem sido o uso de lipídios ionizáveis ​​nas nanopartículas que entregam mRNA nas células 1. As partículas permanecem neutras em pH fisiológico, mas quando entram no endossoma da célula, elas acumulam carga no ambiente ácido da organela, o que auxilia na liberação de sua carga útil de mRNA. A próxima geração de nanopartículas lipídicas ionizáveis ​​em desenvolvimento usaria um processo de ligação ao receptor para direcionar as partículas a tecidos ou tipos de células específicos.

Outras inovações estão melhorando o acesso. Algumas tecnologias, por exemplo, usam moléculas de açúcar para permitir a liofilização eficiente sem danificar a estrutura ou formulação refinada das vacinas, tornando-as mais fáceis de armazenar e transportar.

Outro caminho para aumentar o acesso à vacina é o desenvolvimento de tecnologia portátil de impressão de RNA. Poucos países têm capital e experiência para produzir vacinas de alta qualidade em escala, mas em fevereiro de 2019, a CEPI investiu US $ 34 milhões nos esforços da empresa biofarmacêutica CureVac para desenvolver uma unidade totalmente transportável que poderia permitir que áreas com poucos recursos produzissem seu próprio mRNA para vacinas. Esse tipo de inovação vai tornar as vacinas ainda mais acessíveis. E fornece um vislumbre do futuro: significa que mais países estarão melhor preparados para o próximo surto inevitável.

OFER YIZHAR: Hologramas no cérebro

Neurocientista de sistemas do Instituto Weizmann de Ciência em Rehovot, Israel.

A optogenética – técnicas para controlar a atividade de células cerebrais e circuitos definidos – gerou entusiasmo no campo da neurociência desde seu surgimento em 2005. Em 2021, prevejo que essas ferramentas terão um impacto ainda maior.

Com a optogenética, os pesquisadores podem iluminar um tecido e todos os neurônios que expressam a ferramenta responderão. No entanto, na realidade, a atividade cerebral é muito mais matizada. Os neurônios respondem apenas a estímulos específicos. O tempo é importante; a sequência é importante; os neurônios raramente disparam todos juntos. A partir de 2005, a optogenética nos permitiu manipular tipos específicos de neurônios, mas ainda não conseguia recapitular a linguagem que as células usam para se comunicarem entre si.

Para resolver essa lacuna, alguns neurocientistas desenvolveram novas proteínas responsivas à luz – por exemplo, alterando a cor da luz que ativa o canal ou fazendo com que o canal permaneça aberto por mais tempo. Algumas dessas proteínas modificadas nos permitiram estimular os neurônios com mais precisão usando a excitação de dois fótons, uma técnica para imagens de alta resolução de tecido vivo. No entanto, há limites para a rapidez com que um feixe de laser pode ativar neurônios individuais, e isso restringe a confiabilidade com que podemos projetar padrões de estimulação para imitar a atividade natural

Ao mesmo tempo, outros avançaram na ótica. Nos últimos anos, a holografia e outras abordagens ópticas para a manipulação de um único neurônio amadureceram o suficiente para serem adotadas por laboratórios não especializados. Ao dividir a luz laser em muitos feixes que formam a configurção de neurônios, é possível gerar hologramas para estimular os neurônios com precisão, em padrões temporais complexos, em três dimensões 2.

Enquanto um único feixe de laser pode levar de 10 a 20 milissegundos para estimular um neurônio, a holografia permite estimular essa célula em menos de um milissegundo – consideravelmente mais rápido do que os 4-5 milissegundos que geralmente leva para transmitir um sinal de um neurônio para outro. Você também pode gerar vários hologramas ao mesmo tempo ou em uma sequência específica.

Este tipo de experimento costumava ser limitado a laboratórios especializados com know-how para construir microscópios personalizados. Agora, empresas de microscópio como Bruker e 3i incorporaram a holografia em seus sistemas de imagem de dois fótons. Os neurocientistas podem tirar uma foto por meio do microscópio, marcar os neurônios que desejam ativar e o software gera hologramas para corresponder a esses padrões de ativação. Com desenvolvimentos convergentes em ferramentas optogenéticas e técnicas ópticas, podemos começar a explorar o código neural com a precisão de um único neurônio. 

ALICIA CHENOWETH: Construindo melhores anticorpos.

Imunologista do câncer do King’s College London e co-presidente da 2022 Antibody Biology and Engineering Gordon Research Conference.

Os anticorpos têm sido usados ​​como terapias desde meados da década de 1990. No entanto, foi apenas nos últimos dois anos, quando os cientistas descobriram como a estrutura dos anticorpos influencia sua função, que realmente começamos a descobrir seu potencial. Em meio à pandemia contínua, a terapêutica com anticorpos assumiu uma nova urgência.

A maioria das terapias com anticorpos são apenas anticorpos regulares não modificados que se ligam a um alvo específico – por exemplo, uma proteína na superfície de um vírus ou célula tumoral. No entanto, muitos desses anticorpos são ineficazes em envolver as células do sistema imunológico para se livrar do material alvo. Com os avanços da biologia molecular, podemos modificar rapidamente os anticorpos para torná-los melhores no controle do sistema imunológico para combater doenças 3.

As forças secretas que comprimem e dão forma à vida

Meu laboratório tem usado duas estratégias diferentes para fazer isso, usando a plataforma PIPE (extensão de primer incompleto da polimerase), um método de clonagem molecular rápido e eficiente desenvolvido no Genomics Institute da Novartis Research Foundation em San Diego, Califórnia, introduzimos mutações pontuais em anticorpos para facilitar sua interação com células assassinas naturais, o que aumenta a morte de células cancerosas em um modelo de câncer de mama em camundongos.

Separadamente, começamos a investigar anticorpos baseados na imunoglobulina E (IgE). A maioria dos anticorpos terapêuticos é baseada em uma estrutura de imunoglobulina G. As pessoas normalmente pensam em IgE como um anticorpo realmente terrível associado a reações alérgicas. No entanto, na verdade, se você usar anticorpos IgE para liberar essa poderosa inflamação, pode ser uma ótima maneira de direcionar células cancerosas para matar 4.

A beleza dos anticorpos projetados é que, por causa de sua natureza versátil, eles podem ser aplicados a quase todas as doenças, desde que você tenha algo como alvo. Portanto, enquanto investigamos o câncer, outros cientistas estão desenvolvendo anticorpos para desligar o sistema imunológico e tratar a autoimunidade e alergias, ou para auxiliar na resposta imunológica contra doenças infecciosas, incluindo COVID-19. As possibilidades são realmente infinitas.

CORAL ZHOU: O poder de uma única célula de três (tecnologias).

Biólogo celular e do desenvolvimento da Universidade da Califórnia, Berkeley e co-presidente da Conferência de Pesquisa Gordon da Dinâmica do Cromossomo 2021.

As células do corpo têm muitas funções diferentes, no entanto, todos elas derivam de uma única célula e de um único genoma. Como uma célula dá origem a todos esses tipos diferentes?

Estou entusiasmado com as três novas tecnologias de sequenciamento de célula única que podem ajudar a resolver essa questão nos primeiros estágios do desenvolvimento embrionário. Um deles usa Hi-C – um método para estudar a arquitetura 3D do genoma – para examinar os cromossomos maternos e paternos em células individuais de embriões de camundongos em estágios distintos de desenvolvimento inicial. Usando essa abordagem, os pesquisadores relataram em março passado que os genomas parentais não se misturam imediatamente após a fertilização – há um momento entre o estágio de 1 e 64 células quando a estrutura do genoma materno parece diferente da do genoma paterno .. Embora não saibamos exatamente por que existe essa breve assimetria, os autores especulam que ela tem um papel no estabelecimento de programas de expressão de genes específicos do sexo posteriormente no desenvolvimento. Até então, não acho que tínhamos tecnologia para descobrir algo assim.

Outra técnica chamada CUT & Tag rastreia ‘marcas’ bioquímicas específicas no genoma para ajudar os cientistas a estudar como essas modificações químicas ligam e desligam genes em células vivas individuais 6 , enquanto SHARE-seq combina dois métodos de sequenciamento para identificar regiões do genoma que são acessíveis a moléculas ativadoras da transcrição 7 .

Ao aplicar essas ferramentas ao embrião em desenvolvimento, podemos criar um roteiro de como características específicas da arquitetura genômica determinam o destino da célula à medida que o embrião se desenvolve.

TAKANARI INOUE: Sentindo a força.

Biólogo de células sintéticas na Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, Maryland, e foi co-organizador do subgrupo Tools and Devices for Cell Biology da conferência American Society for Cell Biology 2019.

Além de fatores de crescimento e outras moléculas, as células também sentem a força física. A sensação de força pode regular a expressão gênica, proliferação, desenvolvimento e possivelmente câncer.

A força é difícil de estudar porque você só vê seus efeitos – quando você empurra algo, há deformação ou movimento. Mas agora, usando duas ferramentas de ponta para visualizar e manipular a força nas células vivas, os cientistas podem investigar as relações causais entre a força física e as funções celulares como nunca antes.

GenEPi, desenvolvido no Imperial College London, funde duas moléculas. Uma, chamada Piezo1, é um canal iônico que conduz íons de cálcio através de seus poros quando detecta tensão na membrana celular. Esses íons são detectados pela segunda molécula – que apresenta uma fluorescência mais intensa quando se liga ao cálcio.

Estudos anteriores usaram sondas físicas ou outros dispositivos invasivos para estudar o impacto da força nas células. Com GenEPi você pode estudar células intactas em condições fisiologicamente relevantes. E ao contrário dos sensores anteriores que monitoram amplamente o cálcio citoplasmático, o GenEPi mede apenas a atividade do cálcio ligada à sensação de força através do Piezo1. Como prova de princípio, os pesquisadores alteraram a fluorescência do GenEPi estimulando as células do músculo cardíaco com a ponta de um cantilever de microscópio de força atômica 8.

A segunda ferramenta, ActuAtor, é aquela que geramos usando ActA, uma proteína da bactéria patogênica Listeria monocytogenes. Quando a bactéria infecta uma célula hospedeira de mamífero, a ActA sequestra a maquinaria do hospedeiro para desencadear a polimerização da actina na superfície do micróbio. Isso gera força que empurra a bactéria através do citoplasma.

Nós reaproveitamos esse sequestro pela engenharia da ActA para polimerizar a actina em locais específicos dentro das células, quando recebe um estímulo de luz ou químico 9. Com o ActuAtor, podemos exercer força dentro das células. Por exemplo, liberamos o ActuAtor na superfície da mitocôndria, fazendo com que as organelas fossem picadas em minutos. Descobrimos que essas mitocôndrias danificadas são mais suscetíveis à degradação pela mitofagia, mas que as funções mitocondriais essenciais, como a síntese de ATP, não foram afetadas.

Anteriormente, era difícil lidar com esses processos porque não tínhamos ferramentas para deformar organelas de forma específica e não invasiva nas células vivas. O ActuAtor é uma das primeiras ferramentas capaz de fazer isso, até onde sabemos.

LIVIA SCHIAVINATO EBERLIN: (química analítica brasileira que ganhou uma bolsa MacArthur “Genius” por sua pesquisa sobre o uso de espectrometria de massa para detectar tecidos cancerígenos.) espectrometria de massa na clínica.

Química analítica na Universidade do Texas em Austin, co-fundadora e diretora científica da Genio Technologies, Tulsa, Oklahoma, e vice-co-presidente da 2021 Chemical Imaging Gordon Research Conference.

A espectrometria de massa pode analisar rapidamente centenas a milhares de moléculas de amostras complexas com alta sensibilidade e especificidade química. A pesquisa biomédica sobre esses métodos ocorre em grande parte em dois extremos. Alguns cientistas estão desenvolvendo tecnologias de alto desempenho para sondar os tecidos biológicos mais profundamente. Os pesquisadores em nosso laboratório estão simplificando as ferramentas de espectrometria de massa para que os médicos possam usá-las para decisões clínicas.

MALDI (dessorção / ionização a laser assistida por matriz) é uma tecnologia de imagem por espectrometria de massa que tem sido usada para analisar tecidos biológicos. Mas liberar moléculas dos tecidos e ionizá-las sob condições de vácuo pode ser complicado. Em 2017, os pesquisadores desenvolveram um sistema MALDI que lhes permitiu manipular íons ao ar livre, em vez de sob condições de vácuo 10. Esse desenvolvimento simplificou o processo MALDI e permitiu sua combinação com outras tecnologias, incluindo fluorescência in situ microscopia de hibridização, imagem bioluminescente, imagem blockface e imagem por ressonância magnética. Essas capacidades multimodais permitiram aos pesquisadores, por exemplo, sondar as interações hospedeiro-micróbio e as mudanças metabólicas com maior precisão molecular e histológica do que anteriormente possível 11 , 12 .

Do lado clínico, nosso laboratório criou a MasSpec Pen, um sistema de espectrometria de massa portátil que ajuda os cirurgiões a identificar tecidos tumorais e seus limites 13. Nosso dispositivo se concentra em metabólitos – produtos finais de reações enzimáticas no corpo que podem distinguir o tecido normal do tecido tumoral. O processo entrega uma gota de água no tecido, dissolvendo os metabólitos e enviando o conteúdo molecular para o espectrômetro de massa para análise. Já conhecemos os perfis moleculares que caracterizam o metabolismo no tecido normal versus tecido tumoral no laboratório. Agora estamos testando a ferramenta na sala de cirurgia 14 .

Este ano, planejamos continuar avaliando a caneta MasSpec em pessoas submetidas a cirurgia de câncer de mama, ovário e pancreático ou cirurgia robótica de câncer de próstata. Licenciamos a tecnologia para a Genio Technologies.

JONG-HEUN LEE: Farejando doenças.

Cientista de materiais da Universidade da Coreia, Seul, e membro do comitê diretor do Encontro Internacional de Sensores Químicos de 2021.

Para detectar misturas de gases que podem indicar riscos ambientais ou doenças, incluindo COVID-19, os pesquisadores gostariam de imitar o olfato humano, para saber o que estamos cheirando. No entanto, ao contrário da visão, audição e tato, os sensores químicos do olfato são complexos. Eles envolvem a detecção de misturas de várias centenas ou mesmo milhares de produtos químicos, geralmente em concentrações de traços.

Em meu laboratório, estamos adotando várias abordagens para desenvolver a próxima geração de olfato artificial 15. Um envolve o aumento da diversidade de materiais de detecção de gás usando um projeto de bicamada. Por exemplo, poderíamos revestir cada um dos 10 materiais de detecção diferentes com 10 camadas catalíticas que ajustam as características de detecção de gás de cada material, para fazer um total de 10×10 ou 100 sensores diferentes. Isso é muito mais fácil do que revestir separadamente 100 materiais de detecção diferentes.

Também precisamos fazer os sensores responderem mais rapidamente. Uma estratégia é tornar o material de detecção poroso, imitando os conjuntos hierárquicos da natureza, como árvores, que maximizam a área de superfície para absorver a luz solar para fotossíntese, ou pulmões, que têm uma grande área de superfície dentro de um pequeno volume que maximiza o transporte dos principais vasos das vias aéreas para ramos menores.

A tecnologia de olfato artificial pode ser usada para diagnóstico médico, por exemplo, para detectar concentrações mais altas de óxido nítrico no hálito de pessoas com asma. Outras aplicações incluem monitoramento da poluição do ar, avaliação da qualidade dos alimentos e agricultura inteligente com base em sinais de hormônios vegetais.

Nature 589, 630-632 (2021)

Doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00191-z

 

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