Процес ліофілізації клітин та використання термічних технологій дозволить створювати портативне виробництво лікарських препаратів та вакцин будь-де, впевнені науковці — а ще так можна буде швидко виявляти штамми лихоманки Ебола та вірусу Зіка. Втім, глибинне заморожування може використовуватися не лише для цих завдань.
Головна проблема — як зберегти вакцину між 20 холодильниками?
Для того, щоби доставити вакцину від виробника до дитини, яка потребує цього, часто доводиться перетинати країни, якщо не материки. Через таку відстань вакцини транспотуються із використанням «холодового ланцюга»: так називають низку ізотермічних боксів, морозильників, рефрижераторів та складів зі спеціальним температурним режимом. І цей ланцюг досить крихкий: будь-який збій у одній із ланок призведе до танення льоду та необоротного розпаду медпрепаратів.
Але якщо Кіт Парді з Університету Торонто та Джим Коллінз з MIT досягнуть своєї мети, «охолоджувальний ланцюг» може стати справою минулого. Вони розробили методику для виготовлення вакцин і ліків в тих місцях, де вони насправді потрібні — і замість того, щоби будувати великі заводи, їхній метод передбачає випуск медикаментів за допомогою живих клітин.
Сушка заморожуванням
Клітини містять ензими, які зчитують інструкції, закодовані в ДНК, і використовують їх для створення біологічних молекул. Парді виявив, що ці ензими зберігають свої властивості і можуть працювати, навіть якщо вони будуть видалені з рідної клітини і піддані сублімаційному висушуванню. У цьому стані вони одночасно стабільні та піддаються транспортуванню, переміщувати та зберігати їх можна при кімнатній температурі. Додайте воду, і ферменти знову «оживуть». Запропонуйте їм правильні інструкції ДНК, і вони почнуть штампувати молекули, які ви захочете: вакцини, антибіотики і багато іншого.
Виготовлення ліків може стати не єдиним застосуванням цієї технології. Шляхом сушки та виморожування нутрощів клітин на невеликі паперові диски Парді також створив дешевий спосіб виявлення серйозних захворювань, таких як вірус Зіка та лихоманка Ебола, не покладаючись на лабораторії або пристрої. Достатньо ддати краплю слини або крові на паперові диски, і вони будуть міняти колір, якщо проба містить вірус.
Парді зізнається, що ніколи не думав, що все це буде працювати: «Я вважав, що немає ніякого способу, яким ми могли б заморожуванням висушити ці зразки, і у них все могло би відтворюватися та зберігати активність. Гадаю, через це припущення й інші не намагалися робити такі експерименти.»
Такий підхід є частиною зростаючої області наукових досліджень, котра називається біологією синтезу, де вчені змішують гени живих істот в нові сміливі комбінації. При написанні нових генетичних програм вони можуть створити дріжджі, які генерують протималярійні препарати; або мікроби для кишечника, які знаходять і вбивають ракові клітини. Такий підхід є потужним, але ті, хто хоче його практикувати, все ще мають виростити модифіковані клітини і мають справу з усіма непередбачуваностями біології, — а також муситимуть дати собі раду із громадськістю, котра як і раніше з пересторогою ставиться до використання та створення генетично модифікованих організмів.
Останнє спонукало Парді обійтися повністю без ГМО. Чому б просто не взяти всі механізми, які клітини зазвичай використовують для запуску складних генетичних програм, — і не завантажувати їх в щось неживе, наприклад, фрагмент паперу чи пластикову трубку? Це виглядало би як запуск операційної системи комп’ютера не з вбудованого, а із зовнішнього диску.
Вдала випадковість і зелений колір
Вперше дослідник спробував такий метод влітку 2012 року. Одного дня він намалював низку кіл на папері — а всередині них краплями розмістив 35 бактеріальних ферментів, потім піддав їх сублімаційному сушінню, і став чекати. Зрештою, він відродив ферменти з води і присвоїм їм деякі інструкції через частку ДНК, яка кодує молекули, аби вони світилися зеленим кольором. І паперові диски почали світиться зеленим. Це спрацювало. Для чого ж можна використати таку властивість сушки глибоким заморожуванням?
Коли це сталося, Алекс Грін, ще один член команди Джима Коллінза, окремо розробляв набір генетичних програм для швидкого діагностування вірусних захворювань. Ці програми мали визначати генетичний матеріал конкретного вірусу. Під час роботи вони активують ген, який виробляє колір, скажімо, фіолетовий пігмент. У свою чергу ці клітини активують пігмент в момент контакту з вірусом — і той стає видимим. Вчені вирішили об’єднати свої зусилля. Результати спільних наукових експериментів та пошуків було оприлюднено 2014 року.
Чому саме вірус Зіка
До кінця 2015 року проблем у вчених-експериментаторів побільшало через спалах вірусу зіка на планеті. Вірус Зіка є захворюванням, яке може зупинити розвиток мозку у немовлят, і його виявлення на початку хвороби є доволі складною задачею. Ви можете шукати антитіла, які реагують на вірус, але вони, як правило, підбираються під генетично подібні віруси, такі як лихоманка Денге. Можна вивчати послідовність у геномі і так виявляти вірус, але ця процедура передбачає транспортування зразків крові у міста зі складними лабораторіями та науковим обладнанням, якого у сільській місцевості та в бідних країна х просто немає. Саме тоді стало зрозумілим, що технологія глибокого заморожування може стати альтернативою для боротьби із цим небезпечним новим вірусом.
Команда швидко створила датчик на паперовій основі, який змінює колір при контакті із вірусом Зіка, і включила його до електронного зчитувача ціною $250. Такий детектор вірусів може виявити дуже низькі концентрації вірусу в крові інфікованої мавпи. Реагує він лише на вірус Зіка, і не дає хибних спрацьовувань на лихоманку Денге. З його допомогою можна навіть визначити відмінності між різними штаммами вірусу Зіка, навіть якщо вони відрізняються лише однією генетичною парою. На виготовлення такого датчика пішло лише 6 тижнів.
Створення нового датчика займе ще менше часу, твердять вчені. Вони розробили комп’ютерну програму, яка буде аналізувати геном вірусу та вмикатиме маркери, що розпізнають специфічні послідовності геному, що не зустрічаються в інших вірусів чи в людському геномі. Команда вчених також отримала у 2016 році фінансування для польових випробувань, під час яких вони будуть тестувати датчик вірусу Зіка на великій кількості людей в Південній Америці. І оскільки все це працює на тій же технології створення ліофілізатів без використання клітин, датчик має працювати у високій температурі за умов тропічної вологості в зонах, де найчастіше трапляються спалахи цього вірусу.
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:
Можна обійтися і без паперу — просто додайте води
Для цього нового датчика команда Парді уникає паперу. Вони просто виморожують ензими, а потім достатньо додати води, щоби побачити кольорову реакцію на взятий штамм. Таким чином команда створила безліч медичних молекул, в тому числі: протимікробні хімікати для виявлення і подальшого знищення бактерій; антитіла для визначення ракових клітин; і вакцини, такі як вакцини проти дифтерії, які складно транспортувати та розподіляти дуже швидко через їхню чутливість до повторного розморожування та заморожування. Цей новий спосіб ефективний. Він дає змогу підготувати вакцину проти дифтерії в кількостях, порівнянних з комерційними системами, але з меншою собівартістю — поки що не всі компоненти можна здешевити, але Парді запевняє, що подальше здешевлення неминуче. А головною перевагою є виготовлення потрібної кількості вакцин на місці.
«Основні методи цього процесу вже давно відомі, але їхнє застосування до цієї проблеми є унікальним і демонструє силу об’єднання інженерів та біологів,» — твердить синтетичний біолог Даіель Тюльман-Ерцек із Каліфорнійського університету у Берклі. За кілька десятиліть ця технологія може дозволити дослідникам у віддалених джунглях або на антарктичних станціях виготовляти ліки та вакцини на вимогу, для цього достатньо буде мати із собою набір ліофілізованих клітин.
Та й такий набір може навіть не бути необхідним. На даний момент все-таки дорого синтезувати ДНК. Але оскільки вартість синтезуючих речовин падає, ви могли би передавати послідовність інструкцій із генерування молекул — генів, — щоби ті могли би бути синтезовані на місці, каже Парді. Уявіть групу космонавтів на шляху до Марса, яким треба вилікувати хворого учасника екіпажу, — їм достатньо завантажити інструкції для виготовлення препарату і додати їх до простої ліофілізованої таблетки, аби отримати вакцину на борту.
Джерело: The Atlantic