Embora as vacinas contra a COVID-19 tenham apresentado muitas pessoas aos medicamentos baseados em RNA, os oligonucleotídeos de RNA já estão no mercado há anos para tratar doenças como Distrofia Muscular de Duchenne e amiloidose. As terapias de RNA oferecem muitas vantagens sobre os medicamentos tradicionais de pequenas moléculas, incluindo sua capacidade de abordar quase qualquer componente genético dentro das células e guiar ferramentas de edição de genes como CRISPR para seus alvos.
No entanto, a promessa do RNA é atualmente limitada pelo fato de que a demanda global em rápido crescimento está ultrapassando a capacidade da indústria de fabricá-lo. O método padrão de sintetizar quimicamente o RNA foi inventado na década de 1980 e requer equipamentos especializados e processos intensivos em mão de obra. Os métodos de síntese química também são limitados em termos da gama de blocos de construção de nucleotídeos que podem incorporar em moléculas de RNA, e produzem toneladas métricas de subprodutos químicos tóxicos que criam riscos ambientais e limitam a capacidade de produção das fábricas. Esses problemas só aumentarão à medida que a produção de RNA aumentar em resposta à demanda.
Uma equipe de cientistas do Wyss Institute da Universidade de Harvard e da Harvard Medical School (HMS) criou uma solução para esse problema: um novo processo de síntese de RNA que expande o espaço de design terapêutico de RNA e desbloqueia o potencial para rápida expansão que a síntese química não consegue atingir. Seu novo método pode produzir RNA com eficiências e purezas comparáveis aos padrões atuais da indústria usando água e enzimas em vez de solventes tóxicos e catalisadores explosivos que assolam a fabricação atual. Ele também pode incorporar todas as modificações moleculares comuns encontradas em medicamentos de RNA hoje e tem o potencial de incorporar novas químicas de RNA para novos tipos de terapias. A conquista é descrita em um artigo publicado hoje em Biotecnologia da Natureza.
“À medida que a demanda por medicamentos de RNA continua a crescer e produtos adicionais chegam ao mercado, excederemos o suprimento global atual de acetonitrila, o solvente orgânico usado em métodos de síntese química de RNA”, disse o coautor Jonathan Rittichier, Ph.D., ex-bolsista de pós-doutorado no Wyss e HMS. Ele e o colega primeiro autor e ex-cientista pesquisador do Wyss Daniel Wiegand, MSCh.E., o membro do corpo docente do Wyss Core George Church, Ph.D., e outros cofundaram a EnPlusOne Biosciences para comercializar sua tecnologia. “Entregar medicamentos de RNA ao mundo nessas escalas requer uma mudança de paradigma para uma síntese aquosa renovável, e acreditamos que nossa tecnologia enzimática proprietária permitirá essa mudança.”
Uma maneira melhor e mais ecológica
No laboratório de Church, Rittichier, Wiegand e o coautor correspondente Erkin Kuru, Ph.D. reconheceram que a indústria farmacêutica estava no meio de uma revolução do RNA. O laboratório havia previamente criado uma maneira de sintetizar DNA usando enzimas, e levantou a hipótese de que eles poderiam fazer o mesmo para o RNA.
Os cientistas começaram com uma enzima de uma cepa de levedura, Schizosaccharomyces pombeque é conhecido por ligar moléculas de nucleotídeos para formar filamentos de RNA. Eles projetaram a enzima para torná-la mais eficiente e capaz de incorporar nucleotídeos não padronizados ao RNA. Isso foi especialmente importante na construção de uma plataforma útil de desenvolvimento de medicamentos, pois cada medicamento de RNA aprovado pela FDA contém nucleotídeos que foram modificados de sua forma original para aumentar sua estabilidade no corpo ou dotá-los de novas funções.
Eles então se concentraram nos próprios nucleotídeos. Na síntese química padrão de RNA,
nucleotídeos têm “grupos de proteção” adicionados a eles: um tipo de plástico-bolha químico que impede que a molécula seja danificada pelas duras condições de reação. Esses grupos de proteção precisam ser removidos após a síntese para que o RNA funcione, e esse processo requer uma rodada adicional de reações químicas que podem danificar o RNA enquanto ele está sendo construído. As condições mais brandas da síntese do EnPlusOne eliminam a necessidade de qualquer plástico-bolha volumoso, levando, em última análise, a uma melhor fabricação.
Mas mesmo resolvendo um problema, a enzima da equipe introduziu um diferente: sua atividade natural encadearia nucleotídeos descontroladamente, resultando em sequências de RNA imprecisas. Para resolver esse problema, eles modificaram seus nucleotídeos com um “bloqueador”, um grupo químico que paralisa a enzima e permite apenas a adição de um nucleotídeo por vez. Uma vez que o nucleotídeo desejado tenha sido adicionado, o bloqueador é removido para permitir que o próximo nucleotídeo na sequência se ligue, resultando em um processo de duas etapas que é mais simples e menos intensivo em reagentes do que o método típico de síntese química de quatro etapas.
Os pesquisadores demonstraram que seu novo processo incorporou nucleotídeos com 95% de eficiência, o que é comparável à síntese química. A equipe então repetiu iterativamente ciclos de síntese enzimática de RNA para construir moléculas de 10 nucleotídeos de comprimento. Eles agora são rotineiramente capazes de construir moléculas com 23 nucleotídeos de comprimento, que é o tamanho de muitas terapêuticas de RNA de sucesso.
Das moléculas aos medicamentos
A chave para transformar RNA em medicamentos úteis é modificar seus nucleotídeos naturalmente existentes. A equipe também demonstrou que seu método de síntese enzimática poderia produzir com sucesso fios de RNA com vários tipos de nucleotídeos modificados com a mesma capacidade dos nucleotídeos naturais. “O RNA natural é feito de quatro letras — A, U, C e G — mas podemos expandir esse alfabeto simples com biologia sintética”, disse Kuru, que é um bolsista de pós-doutorado na HMS. “Nosso processo essencialmente aumenta o número de chaves que temos em nossa ‘máquina de escrever de RNA’ para um alfabeto muito mais rico que podemos usar para escrever RNAs com novas funções e propriedades.”
Este trabalho formou a base para um Projeto de Validação no Wyss Institute em 2019 e 2020, quando foi desriscado e preparado para comercialização. Também em 2020, o projeto se tornou o primeiro a ser apoiado pela parceria do Wyss Institute com o Northpond Labs através da o Laboratório de Pesquisa e Inovação em Bioengenharia, com base em seu potencial para impacto significativo no mundo real. A EnPlusOne Biosciences foi lançada em 2022 para comercializar a nova abordagem e trazer a síntese enzimática de RNA para o mundo. O financiamento foi liderado pela Northpond Ventures com a participação da Breakout Ventures e da Coatue.
“As tecnologias de síntese enzimática de nucleotídeos oferecem muitas vantagens como uma alternativa aos métodos baseados em produtos químicos. Esta plataforma pode ajudar a desbloquear o imenso potencial da terapêutica de RNA de forma sustentável, especialmente fabricando moléculas de RNA guia de alta qualidade para edição de genes CRISPR/Cas”, disse o coautor correspondente Church, que também é o Professor Robert Winthrop de Genética na HMS.
A EnPlusOne também está usando sua plataforma para fabricar pequenos RNAs interferentes (siRNAs) em escala laboratorial que podem ser usados para tratar uma ampla variedade de doenças.
“Os medicamentos de RNA oferecem uma nova e poderosa abordagem de tratamento para uma enorme variedade de doenças. No entanto, os métodos atuais de fabricação desses medicamentos são limitados em termos da diversidade química que podem produzir, da quantidade de material que pode ser produzido a um custo razoável e de seu impacto negativo no meio ambiente devido aos produtos químicos agressivos que exigem. A elegante alternativa de síntese enzimática bioinspirada da EnPlusOne oferece uma maneira de superar todas essas limitações e pode ajudar a indústria terapêutica de RNA a explodir”, disse o diretor fundador da Wyss, Don Ingber, MD, Ph.D. Ingber também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular no HMS e no Hospital Infantil de Boston, e o Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard.
Autores adicionais do Biotecnologia da Natureza artigo incluem Ella Meyer, Howon Lee, Nicholas J. Conway, Daniel Ahlstedt, Zeynep Yurtsever e Dominic Rainone. Lee e Ahlstedt também são cofundadores da EnPlusOne. Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA sob a Concessão DE-FG02-02ER63445 e pelo Wyss Institute da Universidade de Harvard.
