Uma nova pesquisa da North Carolina State University demonstra que os genes são capazes de identificar e responder a informações codificadas em sinais de luz, bem como filtrar alguns sinais inteiramente. O estudo mostra como um único mecanismo pode desencadear diferentes comportamentos do mesmo gene – e tem aplicações no setor de biotecnologia.
“A ideia fundamental aqui é que você pode codificar informações na dinâmica de um sinal que um gene está recebendo”, diz Albert Keung, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor assistente de engenharia química e biomolecular na NC State. “Portanto, em vez de um sinal simplesmente estar presente ou ausente, a maneira como o sinal está sendo apresentado é importante.”
Para este estudo, os pesquisadores modificaram uma célula de levedura para que ela tenha um gene que produza proteínas fluorescentes quando a célula é exposta à luz azul.
É assim que funciona. Uma região do gene chamada promotor é responsável por controlar a atividade do gene. Nas células de levedura modificadas, uma proteína específica se liga à região promotora do gene. Quando os pesquisadores iluminam essa proteína, ela se torna receptiva a uma segunda proteína. Quando a segunda proteína se liga à primeira proteína, o gene se torna ativo. E isso é fácil de detectar, já que o gene ativado produz proteínas que brilham no escuro.
Os pesquisadores então expuseram essas células de levedura a 119 padrões de luz diferentes. Cada padrão de luz diferia em termos da intensidade da luz, da duração de cada pulso de luz e da frequência com que os pulsos ocorriam. Os pesquisadores então mapearam a quantidade de proteína fluorescente que as células produziram em resposta a cada padrão de luz.
As pessoas falam sobre genes sendo ativados ou desativados, mas é menos como um interruptor de luz e mais como um interruptor de dimmer – um gene pode ser ativado um pouco, muito ou em qualquer lugar entre os dois. Se um determinado padrão de luz levou à produção de uma grande quantidade de proteína fluorescente, isso significa que o padrão de luz tornou o gene muito ativo. Se o padrão de luz levou à produção de apenas uma pequena proteína fluorescente, isso significa que o padrão apenas desencadeou uma atividade moderada do gene.
“Descobrimos que diferentes padrões de luz podem produzir resultados muito diferentes em termos de atividade genética”, disse Jessica Lee, primeira autora do artigo e um recente Ph.D. graduado pela NC State. “A grande surpresa, para nós, foi que a saída não estava diretamente correlacionada à entrada. Nossa expectativa era que quanto mais forte o sinal, mais ativo o gene seria. Mas esse não era necessariamente o caso. Um padrão de luz pode tornar o gene significativamente mais ativo do que outro padrão de luz, mesmo se ambos os padrões estivessem expondo o gene à mesma quantidade de luz. ”
Os pesquisadores descobriram que todas as três variáveis de padrão de luz – intensidade da luz, frequência dos pulsos de luz e quanto tempo cada pulso durou – podem influenciar a atividade do gene, mas descobriram que controlar a frequência dos pulsos de luz deu a eles o controle mais preciso sobre o gene atividade.
“Também usamos os dados experimentais aqui para desenvolver um modelo computacional que nos ajudou a entender melhor por que diferentes padrões produzem diferentes níveis de atividade gênica”, diz Leandra Caywood, co-autora do artigo e Ph.D. estudante na NC State.
“Por exemplo, descobrimos que quando você agrupa pulsos rápidos de luz muito próximos, você obtém mais atividade genética do que seria de esperar da quantidade de luz aplicada”, diz Caywood. “Usando o modelo, fomos capazes de determinar que isso está acontecendo porque as proteínas não podem se separar e voltar juntas com rapidez suficiente para responder a cada pulso. Basicamente, as proteínas não têm tempo para se separar totalmente entre si entre os pulsos , portanto, estão gastando mais tempo conectados – o que significa que o gene está gastando mais tempo ativado. Compreender esses tipos de dinâmica é muito útil para nos ajudar a descobrir como controlar melhor a atividade do gene usando esses sinais. ”
“Nossa descoberta é relevante para células que respondem à luz, como as encontradas nas folhas”, diz Keung. “Mas também nos diz que os genes respondem a padrões de sinal, que podem ser transmitidos por outros mecanismos além da luz.”
Veja como isso pode ser na prática. Uma célula pode receber um sinal químico. A presença do produto químico não pode ser padronizada – está presente ou não. No entanto, a célula pode responder à presença da substância química criando um sinal padronizado para o gene alvo. A célula faz isso controlando a taxa na qual a proteína que se liga à região do promotor entra e sai do núcleo da célula. Pense em controlar a presença e ausência dessa proteína como o envio de uma mensagem em código morse da célula para o gene. Dependendo de um conjunto de outras variáveis – como a presença de outros produtos químicos – a célula pode ajustar a mensagem que envia ao gene para modular sua atividade.
“Isso nos diz que você pode usar a mesma proteína para dar mensagens diferentes ao mesmo gene”, diz Keung. “Assim, a célula pode usar uma proteína para que um gene responda de maneira diferente a diferentes produtos químicos.”
Em um conjunto separado de experimentos, os pesquisadores descobriram que os genes também eram capazes de filtrar alguns sinais. A mecânica disso é direta e misteriosa. Os pesquisadores puderam dizer que, quando uma segunda proteína se ligava à região promotora do gene, algumas frequências de pulsos de luz não desencadeavam a produção de proteínas fluorescentes. Em suma, os pesquisadores sabem que a segunda proteína garante que um gene responda apenas a um conjunto específico de sinais – mas os pesquisadores não sabem exatamente como a segunda proteína faz isso.
Os pesquisadores também descobriram que podiam controlar o número de sinais distintos aos quais um gene poderia responder, manipulando o número e o tipo de proteínas ligadas à região promotora do gene.
Por exemplo, você pode anexar proteínas à região do promotor que servem como filtros para limitar o número de sinais que ativam o gene. Ou você pode anexar proteínas à região promotora que desencadeiam diferentes graus de ativação do gene.
“Uma contribuição adicional deste trabalho é que determinamos que podemos comunicar cerca de 1,71 bits de informação por meio da região promotora de um gene com apenas um anexo de proteína”, disse Lee. “Em termos práticos, isso significa que o gene, sem uma rede complexa de anexos de proteínas, é capaz de distinguir entre mais de 3 sinais sem erro. Trabalhos anteriores definiram essa linha de base em 1,55 bits, então este estudo avança nosso entendimento do que é possível aqui . É uma base sobre a qual podemos construir. ”
Os pesquisadores afirmam que este trabalho possibilita estudos futuros que avancem nossa compreensão da dinâmica do comportamento celular e da expressão gênica.
A curto prazo, os pesquisadores dizem que há aplicações práticas para o trabalho nos setores farmacêutico e de biotecnologia.
“Na biofabricação, muitas vezes você deseja gerenciar o crescimento das células e a taxa em que essas células estão produzindo proteínas específicas”, disse Lee. “Nosso trabalho aqui pode ajudar os fabricantes a ajustar e controlar ambas as variáveis.”
O artigo, “Mapeando as funções de transferência dinâmica da regulação do gene eucariótico”, será publicado em 31 de agosto na revista Cell Systems.
Publicado em 03/09/2021 22h10
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