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A otimização da transcrição in vitro (IVT) é fundamental para a produção econômica de mRNA. Este protocolo detalha um método cromatográfico analítico para análise em linha da reação IVT, monitorando a depleção de NTP e a produção de mRNA nos modos de batelada ou batelada alimentada, aplicável a várias modalidades de RNA, aumentando a produtividade e reduzindo custos.
A reação de transcrição in vitro (IVT) é uma síntese enzimática complexa e multicomponente de mRNA a partir de um molde de DNA linear, catalisada por uma RNA polimerase, por exemplo, T7. Devido ao alto custo dos reagentes de IVT, a IVT é uma etapa crítica no processo de produção de substâncias medicamentosas de mRNA e tem sido o foco de intensa otimização no campo. Para diminuir o custo de produção de mRNA, os reagentes devem ser utilizados de forma otimizada. A otimização eficaz requer uma compreensão abrangente do impacto de reagentes individuais na cinética da reação, ou seja, o consumo de trifosfatos de nucleosídeos (NTPs) e a produção de mRNA. Tradicionalmente, técnicas analíticas de ponto final de baixo rendimento têm sido usadas para a análise de mRNA. Embora esses métodos forneçam informações valiosas sobre o conteúdo de mRNA, análises em linha e quase em tempo real são necessárias para entender completamente a reação de IVT. Demonstramos como um método analítico de cromatografia líquida que separa NTPs, bem como pDNA e mRNA, pode ser usado quase em tempo real para estudar a cinética da reação IVT. Com o conhecimento da influência de diferentes componentes de IVT na cinética e no rendimento, a análise cromatográfica rápida pode ser usada para converter a reação de IVT em lote em um modo de lote alimentado que aumenta ainda mais a produtividade e reduz o custo geral da reação.
A pandemia de COVID-19 catalisou uma revolução sem precedentes na biomedicina, levando ao rápido desenvolvimento e autorização de vacinas baseadas em mRNA, como a Comirnaty da BioNTech/Pfizer e a Spikevax da Moderna, tanto na Europa quanto nos EUA 1,2,3. A impressionante eficácia e o rápido desenvolvimento dessas vacinas destacaram o imenso potencial terapêutico da tecnologia de mRNA, não apenas para doenças infecciosas, mas também para imunoterapias contra o câncer, terapias de reposição de proteínas, medicina regenerativa e reprogramação celular 4,5. Esta era, muitas vezes referida como a revolução do mRNA, ressalta a necessidade de processos de produção de mRNA eficientes e econômicos.
A produção de mRNA envolve múltiplas operações unitárias, sendo a reação de transcrição in vitro (IVT) uma operação unitária crítica e mais dispendiosa 6,7,8. A reação IVT sintetiza mRNA a partir de um molde de DNA usando RNA polimerase, tipicamente RNA polimerase T7 e trifosfatos de nucleosídeos (NTPs) na presença de íons de magnésio. O processo é relativamente simples e permite a produção de grandes quantidades de mRNA em um curto espaço de tempo, alcançando rendimentos de reação de 2-5 g/L em poucas horas e até 14 g/L em alguns relatórios 9,10,11. No entanto, a otimização do rendimento da reação IVT é crucial para reduzir os custos de produção e garantir a escalabilidade das vacinas e terapêuticas de mRNA12 e, devido às diferenças de sequência que influenciam o consumo de NTP, pode ser necessária para cada construto ou família de construtos.
A reação geralmente é realizada como um processo em lote, mas avanços recentes no processamento de lotes alimentados e análises em linha abriram novos caminhos para otimizar a produção de mRNA 7,13. As reações em batelada alimentada, que envolvem um bolus ou adição contínua de reagentes, podem potencialmente estender os tempos de reação e aumentar os rendimentos, evitando a inibição do substrato e a degradação do produto dependente de cofatores14,15.
O desenvolvimento de análises rápidas em linha tem sido um avanço significativo no campo da IVT, permitindo o monitoramento dos principais componentes da reação, como NTPs e mRNA, com atraso analítico mínimo 13,16, adicionando uma dimensão adicional ao monitoramento de IVT, que normalmente se concentra apenas na concentração de mRNA17. Tradicionalmente, os mRNAs têm sido analisados usando técnicas como eletroforese em gel de poliacrilamida (PAGE), eletroforese em gel de agarose ou eletroforese capilar. Esses são métodos de ponto final e, portanto, não podem ser usados para monitoramento de IVT em tempo real. Uma alternativa à análise descrita neste protocolo são os métodos que usam aptâmero de RNA iluminado e pares de corantes de fluorescência. Neste método, o aptâmero de RNA é marcado com RNA e incubado com um corante de fluorescência iluminado. A atividade de transcrição pode então ser visualizada pela intensidade de fluorescência17. Isso permite a análise em tempo real da quantidade e qualidade do mRNA transcrito durante o IVT 21, mas não permite o monitoramento simultâneo de outros componentes do IVT, por exemplo, NTPs. Outra alternativa que potencialmente permite a quantificação em tempo real de NTP e mRNA é a espectroscopia Raman18, mas até o momento, nenhum relatório mostrou sua utilidade para o monitoramento de IVT, sugerindo que ainda é necessária uma otimização adicional do método para obter a seletividade e sensibilidade necessárias.
O desenvolvimento contínuo de análises mais rápidas e seletivas suporta a otimização do IVT para maior rendimento nos modos de lote e lote alimentado. A reação permanece um processo complexo e multiparamétrico com múltiplos fatores de interação, para os quais os ótimos podem diferir entre os tipos de construção (por exemplo, mRNA vs saRNA). A concentração e a proporção de íons Mg2+ e NTPs são particularmente influentes, e seus níveis ideais devem ser cuidadosamente equilibrados para maximizar o rendimento do mRNA, minimizando a formação de RNA de fita dupla (dsRNA), um potente estimulante do sistema imunológico inato19,20. Recentemente, a alimentação de UTP em níveis de estado estacionário foi relatada como uma abordagem para reduzir a formação de dsRNA21. O monitoramento dos níveis de UTP quase em tempo real adicionaria um nível adicional de controle de processo.
Neste protocolo, demonstramos como o monitoramento em linha da reação IVT pode aumentar o rendimento da produção de mRNA no modo batelada e batelada alimentada.
1. Preparação do tampão
NOTA: Todos os tampões devem ser preparados sem RNase, o que significa que todos os produtos químicos e vidraria devem ser usados apenas para trabalhos sem RNase e manuseados com precaução. A água utilizada para a preparação do tampão e a limpeza dos artigos de vidro deve ser certificada como isenta de nuclease. Antes de realizar um experimento, todas as superfícies de trabalho e vidraria devem ser pulverizadas com um reagente de descontaminação que elimine as RNases. O reagente de descontaminação deve ser cuidadosamente lavado com água livre de RNase antes de usar vidraria/área de trabalho. Se possível, use consumíveis estéreis e de uso único.
2. Preparação da reação de transcrição in vitro (IVT)
NOTA 1: A reação IVT pode ser uma reação em lote, onde todos os reagentes são adicionados no início, e a reação é interrompida depois que os NTPs são esgotados / a produção de mRNA atinge um platô, ou pode ser uma reação em lote alimentado, onde os NTPs esgotados são reabastecidos com NTPs adicionais e com isso a produção de mRNA aumenta adicionalmente. O molde linear do pDNA usado na reação de IVT pode ser obtido usando a enzima da limitação que cliva logo após a sequência poli(A) no ADN do plasmídeo ou pela reação de PCR. Em ambos os casos, a reação deve ser seguida de purificação, cromatográfica ou usando kits comerciais de purificação de DNA.
3. Preparação da análise cromatográfica
4. Quantificação da amostra e análise dos dados
A análise cromatográfica descrita neste protocolo pode ser usada para otimização de IVT ou para converter uma reação de IVT em lote em uma reação de batelada alimentada (Figura 1).
Para testar o efeito de diferentes composições de tampão na cinética da reação IVT, três reações diferentes de IVT foram misturadas de acordo com o protocolo escrito na Tabela 2. O tampão contendo Tris, onde o pH foi ajustado com HCl, foi comparado ao tampão Tris, onde o pH foi ajustado com ácido acético. Além disso, ambos os tampões Tris foram comparados com o tampão HEPES, onde o pH foi ajustado com NaOH. A composição de todo o tampão 1x IVT foi de 40 mM Tris/HEPES, 10 mM DTT, 2 mM de espermidina e pH 7,9.
A partir de 100 μL de mistura de reações IVT, 2 μL de amostra IVT foram retirados da reação IVT e temperados com 2 μL de EDTA 100 mM a cada 15 min na primeira hora de incubação e depois a cada 30 min até 180 min de incubação. O rendimento final esperado de mRNA para esta condição de reação foi de 15 mg / mL, o que significa que a diluição de 2 vezes devido à têmpera foi seguida por uma diluição de 400 vezes em MPA + NaCl para análise. A amostra foi diluída 800 vezes no total, o que significa que, mesmo com produção de 15 mg/mL, a concentração de mRNA carregada na coluna cromatográfica analítica ainda estava dentro das concentrações da curva de calibração.
As áreas de NTP e mRNA em A260 foram integradas para cada amostra individual em cada ponto de tempo individual (tx). As áreas foram então convertidas em concentrações para mRNA, usando a curva de calibração de mRNA e porcentagem de consumo para NTPs, usando a área A260 de NTPs em 0 min (t0) como 100% (veja a equação abaixo).
Os resultados podem ser mostrados como gráficos para cada reação IVT individual, onde o tempo é mostrado no eixo x e a concentração de mRNA e os NTPs restantes são mostrados no eixo y (Figura 2A). Todos os IVT, ou seja, as concentrações de mRNA na dependência do tempo, também podem ser plotados juntos em um gráfico, e a cinética de produção de mRNA pode ser estudada e as condições ideais de IVT selecionadas (Figura 2B).
Para o experimento do lote alimentado, o IVT foi misto conforme escrito na Tabela 3. De 300 μL de mistura de reação IVT, 2 μL de amostra IVT foram removidos da reação IVT e temperados com 2 μL de EDTA 100 mM a cada 30 min. Além disso, a amostra foi coletada imediatamente após cada adição de NTP + MgCl2 a granel. Uma solução de alimentação contendo 42,4 mM de cada NTP e 152,5 mM de MgCl2 foi preparada com antecedência, e 106 μL de cada NTP individual de 200 mM foram misturados com 76,2 μL de 1 M MgCl2. Um regime alimentar foi estabelecido, onde a alimentação em bolo foi adicionada a cada hora (aos 60 min, 120 min, 180 min e 240 min de incubação). O regime de alimentação é descrito na Tabela 3 As amostras foram analisadas quase em tempo real com análises conforme descrito para a reação IVT em massa. Após 300 minutos de monitoramento, a reação de IVT foi extinta.
Os resultados podem ser mostrados como produção restante de NTPs/mRNA ao longo do tempo de incubação. Como as adições de ração em bolus também diluem a reação de IVT, a concentração de mRNA na IVT cai a cada adição de ração ( Figura 3A ). O aumento na massa de mRNA também pode ser medido e apresentado por fatores de transcrição (definidos como mmRNA / mpDNA), mostrando aumento linear na produção de mRNA ao longo do tempo ( Figura 3B ).
Figura 1: Visão geral esquemática (A) Representação do fluxo de trabalho de otimização de IVT com quantificação de análise cromatográfica em linha de NTPs e mRNA. B) Cromatogramas representativos de uma reação IVT descontínua, amostrados a (i) t0, (ii) ponto médio, (iii) pontos finais da reação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Gráficos de IVT em lote. (A) Gráfico representativo da reação IVT com produção de mRNA e consumo de NTP no eixo y. Platô de concentração de mRNA visível em 120 - 180 min de incubação que se correlaciona com o consumo de NTP como NTP limitante (ATP) é consumido em 120 min. (B) Gráfico IVT mostrando a influência do tampão IVT na cinética IVT. O IVT contendo o tampão A (Tris + ácido acético) mostrou a produção de mRNA mais rápida, seguido pelo tampão B (Tris + HCl) e o tampão C (HEPES + NaOH) como os mais lentos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Gráfico IVT do lote federal. (A) Gráfico IVT onde alimentações NTP + MgCl2 foram adicionadas em 60, 120, 180 e 240 min. A concentração de mRNA na reação IVT cai a cada adição de ração devido à diluição com ração NTP + MgCl2 . (B) O aumento da massa de mRNA mostrado pelo fator de transcrição é linear durante toda a incubação da reação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1: Protocolo genérico de IVT. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 2: Protocolo de IVT em lote. Clique aqui para baixar esta tabela.
Tabela 3: Protocolo IVT em lote federal. Clique aqui para baixar esta tabela.
Neste método, as amostras de IVT são analisadas em diferentes momentos durante a incubação usando uma coluna multimodal cromatográfica analítica que separa NTPs, pDNA e mRNA, permitindo assim um monitoramento rigoroso do consumo de NTP e da produção de mRNA. Este método mede a concentração de NTPs e mRNA de maneira quantitativa com base nas mudanças nas áreas A260 em pontos de tempo designados. Como o método fornece informações sobre a concentração de NTP e mRNA, ele é altamente adequado para otimização de IVT, onde o objetivo principal geralmente é maximizar o rendimento de mRNA e minimizar o tempo de reação; portanto, entender o efeito de diferentes reagentes IVT na cinética da produção de mRNA é fundamental22. Mostramos como o monitoramento em linha pode ser aplicado para otimizar a reação IVT nos modos de batelada e batelada alimentada.
A principal vantagem deste método é uma análise em linha que permite o monitoramento quase em tempo real da IVT, pois cada amostra é analisada em menos de 8 minutos. A preparação de amostras para análise é simples, pois apenas a diluição em MPA é necessária sem qualquer pré-tratamento prévio da amostra. O volume de amostra necessário para análise é muito baixo, por exemplo, 1 μL de IVT. Esse pequeno volume de pipetagem pode resultar em desvios analíticos devido a erros de pipetagem. No entanto, como o alto rendimento da abordagem analítica permite medições triplicadas, os outliers são facilmente identificáveis e os desvios da curva cinética esperada não são difíceis de detectar.
Uma das limitações do método é a coeluição cromatográfica de UTP e CTP. A quantificação precisa de UTP e CTP geralmente não é necessária, pois o NTP limitante em uma sequência de mRNA geralmente é ATP ou GTP. Se for necessária uma quantificação separada de UTP e CTP, a diferença na absorbância de UV a 260 nm e 280 nm para UTP e CTP pode ser aproveitada para derivar a abundância relativa de cada NTP no pico cromatográfico.
Este método analítico não separa espécies de RNA acima de 100 nucleotídeos de comprimento; portanto, não pode ser usado para detectar diferenças na qualidade do mRNA, por exemplo, não diferencia entre mRNA não poliadenilado e poliadenilado, entre dsRNA ou transcritos abortivos e ssRNA e não é adequado para estudos de estabilidade, pois não pode diferenciar entre mRNA degradado e não degradado. No entanto, o método pode ser utilizado para a quantificação de outras modalidades de RNA, como circRNA, tRNA e saRNA. Embora essas moléculas variem em tamanho e estrutura, o mesmo método analítico pode ser empregado para estudar os rendimentos de produção de cada uma em uma reação IVT.
Os autores não têm nada a divulgar.
Os autores gostariam de agradecer a Tomas Kostelec, Blaž Bakalar, Nejc Pavlin, Andreja Gramc Livk e Anže Martinčič Celjar pelas discussões úteis.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 µm PES membrane filter, e. g. Sartolab BT 500 | Sartorius | 180E14---------E | |
0.5 mL plastic tubes; e. g. e. g. DNA LoBind, PCR clean | Eppendorf | 30108035 | |
1.5 mL plastic tubes; e. g. DNA LoBind, PCR clean | Eppendorf | 30108051 | |
ATP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R1331T2 | |
Benchtop cooler -20 °C | Brand | 114935 | |
CIMac PrimaS 0.1 mL Analytical Column (2 µm) | Sartorius BIA Separations | 110.5118-2, 2 µm channels | |
CTP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R3331T2 | |
DTT | Sigma | 10197777001 | |
EDTA-Na2 x 2H2O | Kemika | e.g. 11368 08 | |
GTP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R2331T2 | |
HEPES | Merck | 1.10110.1000 | |
HPLC high recovery vial | Macherey-Nagel | 702860 | |
MgCl2 | Invitrogen | AM 9530G | |
Microvolume spectrophotometer | Thermo Scientic | Nanodrop | |
mRNA standard, mFix4, 4000 nt | Sartorius BIA Separations | BIA-mFix4.1.1 | |
Na4P2O7 + 10 H2O | Sigma | S6422-500G | |
NaCl | Fluka | 31434-1KG-M | |
NaOH | Merck | 1064691000 | |
PATfix mRNA analytical platform | Sartorius BIA Separations | PAT0021 | |
Pipette 100 – 1000 μL | Eppendorf | Reference 2 | |
Pipette 2 – 10 μL | Eppendorf | Reference 2 | |
Pipette 20 – 200 μL | Eppendorf | Reference 2 | |
Pyrophosphatase | MEBEP BIOSCIENCE | M2403L | |
Rnase Away Decontamination Reagent | Thermo Scientic | 10328011 | |
RNAse inhibitor | MEBEP BIOSCIENCE | RNK3501 | |
Spermidine | Sigma | 85558-5G | |
T7 mRNA polymerase | MEBEP BIOSCIENCE | TR01 | |
Thermoblock | Thermo Scientic | EPPE5382000.015 | |
Trizma Base | Sigma | T6066-1KG | |
UTP Solution | MEBEP BIOSCIENCE | R5331T2 | |
Vial caps | Macherey-Nagel | 70245 | |
Vortex | IKA | V1900 |
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