新技术助力保障工程细胞系的真实性

　　

   

   

Leonidas Bleris博士(前)和Yiorgos Makris博士在实验室中准备样本，使用层流组织培养罩，一个用于防止污染的封闭柜，用于研究哺乳动物细胞系。Bleris和Makris引入了一种技术来保护定制的细胞系，防止错误识别、交叉污染和非法复制。

德克萨斯大学达拉斯分校

合成生物学和基因组编辑技术的进步导致了为医学研究开发定制细胞系的行业不断增长。然而，这些工程细胞系很容易被误认、交叉污染和非法复制。

德克萨斯大学达拉斯分校的一个研究小组开发了一种史无前例的方法，为每一份细胞系创建一个唯一的标识符，使用户可以验证其真实性，并保护制造商的知识产权(IP)。工程师们在5月4日在线发表的一项研究和5月6日出版的《科学进展》(Science Advances)杂志上展示了这种方法。

这项正在申请专利的技术是德州大学达拉斯分校教师之间跨学科合作的结果。该研究的共同通讯作者是擅长基因工程的生物工程教授Leonidas Bleris博士，以及电子和计算机工程教授、电子硬件安全专家Yiorgos Makris博士。

定制细胞系用于疫苗的开发和针对一系列疾病的靶向治疗。根据市场研究公司MarketsandMarkets的预测，到2026年，全球细胞培养市场预计将从2021年的228亿美元增长到413亿美元。

德克萨斯大学达拉斯分校的工程师们为基因工程细胞开发独特标识符的研究受到了电子行业中所谓的物理不可克隆功能(PUFs)的启发。PUF是一种物理特性，可以作为半导体器件(如微处理器)的独特“指纹”。在半导体领域，PUFs是基于制造过程中发生的自然变化，必须满足三个要求:它们必须有唯一的指纹，每次测量都产生相同的指纹，而且几乎不可能复制。

为了将这一概念应用于工程细胞，研究人员开发了一个两步的过程，利用细胞修复受损DNA的能力，受损DNA是由称为核苷酸的小分子序列组成的。

首先，他们将一个五核苷酸条形码库嵌入到细胞基因组中被称为“安全港”的部分，在那里修改不会伤害细胞。然而，条形码本身不能满足PUFs的三个特性。在第二步中，研究人员使用基因编辑工具CRISPR切割条形码附近的DNA。这种作用迫使细胞使用随机核苷酸来修复它的DNA，这个过程被称为非同源错误修复。在这个修复过程中，细胞会自然地将新的核苷酸插入到DNA中，并/或删除其他核苷酸——这些统称为插入/删除。这些随机修复，结合条形码，创造了一种独特的核苷酸模式，可以帮助将该细胞系与其他细胞系区分开来。

“条形码与固有的随机细胞错误修复过程相结合，产生了一个独特的和不可复制的指纹，”Bleris说。

第一代CRISPR工程的PUFs为研究人员提供了确认细胞是由给定的公司或实验室生产的手段，这一过程被称为来源认证。随着进一步的研究，工程师们的目标是开发一种方法来跟踪一个特定的细胞系副本的年龄。

“开发细胞系的公司正在进行巨额投资，”Bleris说。“我们需要一种方法来区分同一产品的1000个副本。即使这些产品是相同的，它们每一个都有一个唯一的标识符，不能被复制。”

开发工程细胞的业务是如此之新，以至于公司都专注于将他们的投资货币化，而不是安全性和来源认证。他说，半导体行业一开始也是如此，直到伪造和篡改事件凸显了采取安全措施的必要性。

Makris说:“我们认为，这一次我们可能会走在潮流的前面，在行业意识到他们需要这种能力的时候，我们已经开发出了这种能力。当他们意识到自己被黑了，有人把他们的IP货币化时，就太晚了。”

Genetic physical unclonable functions in human cells