doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.034
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#DNA
Cientistas usaram gotículas ativadas por luz para reposicionar DNA, oferecendo novos insights sobre expressão genética e tratamento de doenças.
Com o piscar de uma luz, pesquisadores descobriram um método para remodelar o tecido da vida, dobrando os fios de DNA de volta sobre si mesmos para revelar a natureza material do genoma.
Cientistas há muito debatem a natureza física dos cromossomos – estruturas localizadas profundamente dentro das células, compostas de longos fios de DNA firmemente enrolados em torno de milhões de proteínas. Eles agem mais como um líquido, um sólido ou algo entre os dois”
Muito progresso na compreensão e tratamento de doenças depende da resposta.
Uma equipe de Princeton agora desenvolveu uma maneira de sondar cromossomos e quantificar suas propriedades mecânicas: quanta força é necessária para mover partes de um cromossomo e quão bem ele retorna à sua posição original. A resposta para a questão material, de acordo com suas descobertas, é que, de algumas maneiras, o cromossomo age como um material elástico e, de outras maneiras, age como um fluido. Ao alavancar essa percepção em detalhes exatos, a equipe foi capaz de manipular fisicamente o DNA de maneiras novas e precisamente controladas.
Eles publicaram suas descobertas no periódico Cell em 20 de agosto.
“O que está acontecendo aqui é realmente incrível”, disse Cliff Brangwynne, o June K. Wu ’92 Professor de Engenharia Química e Biológica, diretor do Instituto de Bioengenharia Omenn-Darling de Princeton e principal pesquisador do estudo. “Basicamente, transformamos gotículas em pequenos dedos que tocam as cordas genômicas dentro das células vivas.”
A chave para o novo método está na capacidade dos pesquisadores de gerar pequenas gotículas semelhantes a líquidos dentro do núcleo de uma célula. As gotículas se formam como óleo na água e crescem quando expostas a um comprimento de onda específico de luz azul. Como as gotículas são iniciadas em uma proteína programável – uma versão modificada da proteína usada na ferramenta de edição genética conhecida como CRISPR – elas também podem anexar a gotícula ao DNA em locais precisos, mirando genes de interesse.
Com sua capacidade de controlar esse processo usando luz, a equipe encontrou uma maneira de cultivar duas gotículas presas a sequências diferentes, fundir as duas gotículas e, finalmente, encolher a gotícula resultante, juntando os genes conforme a gotícula recua. Todo o processo leva cerca de 10 minutos.
Usando condensados “”(verde), os pesquisadores juntaram duas seções de uma fita de DNA, permitindo que elas se tocassem. Ilustração de Wright Seneres
O reposicionamento físico do DNA dessa forma representa uma direção completamente nova para a engenharia de células para melhorar a saúde e pode levar a novos tratamentos para doenças, de acordo com os pesquisadores. Por exemplo, eles mostraram que podiam puxar dois genes distantes um em direção ao outro até que os genes se tocassem. A teoria estabelecida prevê que isso poderia levar a um maior controle sobre a expressão genética ou regulação genética – os processos mais fundamentais da vida.
A ciência material do nosso genoma
Uma molécula de DNA é estruturada como uma longa fita dupla. Em células vivas, essa longa fita é enrolada em proteínas especializadas para formar um material chamado cromatina, que por sua vez se enrola para formar as estruturas que conhecemos como cromossomos. Se desenrolados e esticados de ponta a ponta, todos os cromossomos de uma pessoa mediriam cerca de seis pés e meio de comprimento. As células humanas devem encaixar 23 pares desses cromossomos, coletivamente chamados de genoma, no núcleo de cada célula. Daí a necessidade de enrolamento apertado.
Como o DNA é um portador de informações e uma molécula física, a célula precisa desenrolar as partes firmemente enroladas do DNA para copiar suas informações e produzir proteínas. As áreas ao longo do genoma que têm maior probabilidade de serem expressas são menos rígidas fisicamente e mais fáceis de abrir. As áreas que são silenciadas são fisicamente mais enroladas e compactas e, portanto, mais difíceis para a célula abrir e ler. Como um manual de instruções que abre mais facilmente em algumas páginas do que em outras.
Amy R. Strom, Yoonji Kim e Cliff Brangwynne. Foto de Strom por Monica Khanna, foto de Kim por Wright Seneres, foto de Brangwynne pelo Princeton University Office of Communications
A equipe de pesquisa, incluindo a acadêmica de pós-doutorado Amy R. Strom e a recém-formada estudante de doutorado Yoonji Kim, recorreram a bolhas de líquido conhecidas como condensados “”para fazer o trabalho de dobrar os filamentos de DNA e movê-los.
Enquanto alguns componentes celulares conhecidos pela ciência são como bolhas de sabão, com uma membrana distinta mantendo o interior separado do exterior, os condensados “”são gotículas semelhantes a líquidos que se fundem mais como gotas de chuva, sem membrana mantendo-as unidas. Após formar e executar uma função celular, eles podem se separar e se dispersar novamente.
Para estudar a cromatina em mais detalhes, Strom e Kim se basearam em pesquisas anteriores do laboratório Brangwynne que projetaram condensados “”de moléculas biológicas na célula usando luz laser para criar e fundir gotículas. Neste novo trabalho, eles utilizaram um componente adicional que fixa o condensado a locais específicos nas fitas de DNA e direciona seu movimento de forma rápida e precisa por meio de forças mediadas por tensão superficial, também conhecidas como forças capilares, que pesquisadores de Princeton sugeriram que poderiam ser onipresentes em células vivas. Anteriormente, mover DNA dessa forma dependia de interações aleatórias ao longo de um período de horas ou até dias.
“Não fomos capazes de ter esse controle preciso sobre a organização nuclear em escalas de tempo tão rápidas antes”, disse Brangwynne.
Como CRISPR, mas diferente
Agora que eles podem mover os fios dessa forma controlada, eles podem começar a observar se os genes em suas novas posições são expressos de forma diferente. Isso é potencialmente importante para promover nossa compreensão dos mecanismos físicos e da ciência material da expressão genética.
Strom disse que os cientistas observaram a rigidez do núcleo cutucando-o de fora e medindo todo o núcleo. Os cientistas também podem observar um gene e ver se ele está ligado ou desligado. Mas o espaço entre eles não é bem compreendido.
“Podemos usar essa tecnologia para construir um mapa do que está acontecendo lá dentro e entender melhor quando as coisas estão desorganizadas, como no câncer”, disse Strom.
Esta nova ferramenta está pronta para ajudar os pesquisadores a entender melhor a expressão genética, mas não se destina a editar o DNA. “Nossa ferramenta não cliva as sequências de DNA como o CRISPR faz”, disse Kim.
“O CRISPR é realmente bom para doenças relacionadas à necessidade de cortar e realmente alterar a sequência de DNA”, disse Strom. Essa tecnologia poderia funcionar para uma classe diferente de doenças, especialmente aquelas relacionadas a desequilíbrios proteicos, como o câncer.
“Se pudermos controlar a quantidade de expressão reposicionando o gene”, disse Strom, “há um futuro potencial para algo como nossa ferramenta”.
Publicado em 12/09/2024 23h17
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