O campo da biologia sintética não apenas observa e descreve processos da vida, mas também os imita. Uma característica fundamental da vida é a capacidade de replicação, o que significa a manutenção de um sistema químico. Cientistas do Instituto Max Planck de Bioquímica em Martinsried geraram um sistema capaz de regenerar partes de seu próprio DNA e proteínas.
No campo da biologia sintética, os pesquisadores investigam os chamados processos “de baixo para cima”, o que significa a geração de sistemas que imitam a vida a partir de blocos de construção inanimados. Uma das características mais fundamentais de todos os organismos vivos é a capacidade de conservar e se reproduzir como entidades distintas. No entanto, a abordagem artificial “de baixo para cima” para criar um sistema capaz de se replicar é um grande desafio experimental. Pela primeira vez, os cientistas conseguiram superar esse obstáculo e sintetizar esse sistema.
Hannes Mutschler, chefe do grupo de pesquisa “Sistemas Biomiméticos” do Instituto Max Planck de Bioquímica, e sua equipe se dedicam a imitar a replicação de genomas e síntese de proteínas com uma abordagem “de baixo para cima”. Ambos os processos são fundamentais para a autopreservação e reprodução de sistemas biológicos. Os pesquisadores conseguiram agora produzir um sistema in vitro, no qual ambos os processos poderiam ocorrer simultaneamente. “Nosso sistema é capaz de regenerar uma proporção significativa de seus componentes moleculares em si”, explica Mutschler.
Para iniciar esse processo, os pesquisadores precisavam de um manual de construção, além de várias “máquinas” moleculares e nutrientes. Traduzido em termos biológicos, isso significa que o manual de construção é o DNA, que contém as informações para produzir proteínas. As proteínas são freqüentemente chamadas de “máquinas moleculares” porque costumam atuar como catalisadores, que aceleram reações bioquímicas nos organismos. Os blocos básicos de construção do DNA são os chamados nucleotídeos. As proteínas são feitas de aminoácidos.
Estrutura modular do manual de construção
Especificamente, os pesquisadores otimizaram um sistema de expressão in vitro que sintetiza proteínas com base em um modelo de DNA. Devido a várias melhorias, o sistema de expressão in vitro agora é capaz de sintetizar proteínas, conhecidas como DNA polimerases, com muita eficiência. Essas polimerases de DNA então replicam o DNA usando nucleotídeos. Kai Libicher, primeiro autor do estudo, explica: “Ao contrário dos estudos anteriores, nosso sistema é capaz de ler e copiar genomas de DNA comparativamente longos.
Os cientistas montaram os genomas artificiais de até onze pedaços de DNA em forma de anel. Essa estrutura modular permite inserir ou remover determinados segmentos de DNA facilmente. O maior genoma modular reproduzido pelos pesquisadores do estudo consiste em mais de 116.000 pares de bases, atingindo o comprimento do genoma de células muito simples.
Regeneração de proteínas
Além de codificar polimerases que são importantes para a replicação do DNA, o genoma artificial contém modelos para outras proteínas, como 30 fatores de tradução originários da bactéria Escherischia coli. Os fatores de tradução são importantes para a tradução do modelo de DNA nas respectivas proteínas. Assim, são essenciais para sistemas auto-replicantes, que imitam processos bioquímicos. Para mostrar que o novo sistema de expressão in vitro não apenas é capaz de reproduzir o DNA, mas também é capaz de produzir seus próprios fatores de tradução, os pesquisadores usaram espectrometria de massa. Com esse método analítico, eles determinaram a quantidade de proteínas produzidas pelo sistema.
Surpreendentemente, alguns dos fatores de tradução estavam presentes em quantidades maiores após a reação do que foram adicionados antes. Segundo os pesquisadores, este é um passo importante em direção a um sistema auto-replicante contínuo que imita processos biológicos.
No futuro, os cientistas querem estender o genoma artificial com segmentos adicionais de DNA. Em cooperação com colegas da rede de pesquisa MaxSynBio, eles desejam produzir um sistema envelopado capaz de permanecer viável adicionando nutrientes e descartando resíduos. Uma célula tão mínima poderia então ser usada, por exemplo, na biotecnologia como uma máquina de produção sob medida para substâncias naturais ou como uma plataforma para a construção de sistemas reais ainda mais complexos.
Publicado em 19/02/2020 21h49
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