Cientistas criaram um genoma sintético para uma bactéria unindo blocos de construção de DNA – e o novo genoma tornou o micróbio imune à infecção viral.
Mesmo quando exposta a um coquetel de bacteriófagos – vírus que infectam bactérias – a designer Escherichia coli permaneceu ilesa, enquanto uma versão não modificada da bactéria sucumbiu rapidamente ao ataque viral e morreu, informou a equipe de pesquisa em seu novo estudo, publicado quinta-feira (junho) 3) na revista Science. Isso ocorre porque os vírus geralmente sequestram o mecanismo interno de uma célula para fazer novas cópias de si mesmos, mas na E. coli projetada, esse mecanismo não existia mais.
“Nossa compreensão do código genético nos permitiu levantar a hipótese de que os vírus não deveriam ser capazes de infectar e se propagar” na E. coli modificada, e isso acabou sendo verdade, disse o primeiro autor Wesley Robertson, pesquisador de pós-doutorado em biologia sintética no Laboratório MRC de Biologia Molecular (MRC-LMB) no Reino Unido Tornar as bactérias resistentes à infecção viral pode ser útil no desenvolvimento de medicamentos, uma vez que drogas como a insulina e alguns ingredientes de vacinas são cultivados em bactérias, por exemplo, escreveram os autores em seu estudo.
Mas, embora seja uma boa vantagem, tornar a E. coli invulnerável a vírus não era o objetivo principal da pesquisa, disse Robertson. A equipe queria substituir os genes e a maquinaria celular removida por maquinaria reprogramada de sua própria concepção, para que o micróbio produzisse proteínas de acordo com suas instruções.
As células normalmente usam apenas 20 blocos de construção, chamados aminoácidos, para construir todas as suas proteínas, mas agora, os cientistas podem introduzir “aminoácidos não naturais” para uso na construção de proteínas, que têm a mesma estrutura básica de todos os aminoácidos, mas novas cadeias laterais . Dessa forma, a equipe levou seus micróbios modificados a construir macrociclos – uma classe de moléculas usadas em vários medicamentos, incluindo antibióticos – com aminoácidos não naturais incorporados em suas estruturas. No futuro, o mesmo sistema poderia ser adaptado para fazer materiais semelhantes ao plástico, sem a necessidade de petróleo bruto, disse Robertson.
“Isso era impensável dez anos atrás”, disse Abhishek Chatterjee, professor associado de química do Boston College, que não estava envolvido no estudo. Supondo que o método possa ser facilmente adotado por outros laboratórios, ele poderia ser usado para uma ampla gama de propósitos, desde o desenvolvimento de medicamentos até a produção de materiais nunca antes vistos, disse ele.
“Você pode realmente criar uma classe de polímeros que são completamente inéditas”, disse Chatterjee. “Quando essa [tecnologia] se tornar realmente eficiente e todas as dobras forem resolvidas, ela poderá se tornar um motor para o desenvolvimento de novas classes de biomateriais”, que poderiam ser usados em dispositivos médicos que são implantados no corpo humano, por exemplo, disse ele .
Construindo genomas do zero
Para criar sua E. coli programável, a equipe aproveitou uma peculiaridade no processo de como a informação genética é traduzida em proteínas.
Assim como o DNA humano, os cromossomos de E. coli contêm quatro bases, adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Um conjunto de três bases – como TCG ou AGC, por exemplo – é conhecido como um códon, e cada códon corresponde a um aminoácido, ou bloco de construção de proteína. Além disso, alguns códons dizem à célula quando parar de construir uma proteína; eles são chamados de “códons de parada”.
Quando uma célula precisa de uma determinada proteína construída, uma enzima invade e copia todos os códons relevantes para aquela proteína e armazena essa informação em uma nova molécula chamada RNA mensageiro (mRNA). O mRNA é então enviado para a fábrica de construção de proteínas da célula, o ribossomo, onde outra molécula chamada RNA de transferência (tRNA) lê essas instruções copiadas. O tRNA então busca todos os aminoácidos necessários para construir a proteína desejada, até o códon de parada.
As bases do DNA podem ser arranjadas em 64 códons de três bases diferentes, com três deles sendo códons de parada. Dito isso, as células na verdade têm apenas 20 aminoácidos para trabalhar, o que significa que vários códons diferentes codificam os mesmos aminoácidos.
“Existe essa redundância inerente ao código genético, onde você tem 64 códons, mas apenas 20 blocos de construção”, disse Robertson. Robertson e seus colegas se perguntaram se, ao substituir códons redundantes por seus “sinônimos”, eles poderiam então reatribuir alguns desses códons redundantes para codificar novos aminoácidos sem matar a célula.
Em um estudo anterior, publicado em 2019 na revista Nature, a equipe superou o primeiro obstáculo neste desafio, criando uma nova cepa de E. coli com um genoma limitado. Liderado por Jason Chin, líder do programa no MRC-LMB e chefe do Centro de Biologia Química e Sintética, o grupo trocou todos os códons TCG e TCA por AGC e AGT, todos codificados para o aminoácido serina.
Eles fizeram isso usando uma técnica chamada “excisão de replicon para engenharia de genoma aprimorada por meio de recombinação programada”, ou simplesmente REXER. REXER pode cortar grandes porções do genoma de E. coli em uma única etapa e substituir o pedaço excisado por DNA sintético, que, neste caso, usou AGC e AGT no lugar de TCG e TCA. Esse processo pode ser aplicado de maneira gradual, avançando lentamente pelo genoma para que pedaço após pedaço seja substituído por DNA sintético; desta forma, a equipe expôs todas as instâncias de TCG e TCA de sua cepa de E. coli.
“Se você vai fazer um monte de mudanças, é realmente mais eficiente começar do zero e apenas construir de baixo para cima”, em vez de trocar códons um a um do genoma natural, disse Robertson. A equipe também trocou o códon de parada TAG por TAA, um códon de parada sinônimo, e assim liberou três códons para reprogramar, uma vez que a célula não continha mais TCG, TCA ou TAG.
E apesar de ter esses três códons removidos, a nova cepa de E. coli sobreviveu bem no ambiente de laboratório, e a equipe selecionou aquelas células que cresceram mais rápido na cultura de células. As células que passaram por essa evolução direcionada cresceram de forma confiável em pratos de laboratório, embora a E. coli modificada morresse rapidamente se colocada fora do ambiente de laboratório controlado, observou Robertson.
Um sistema ‘plug-and-play’
Agora, em seu estudo mais recente, a equipe fez um ajuste final em sua E. coli, excluindo genes que codificam para duas moléculas específicas de tRNA – as moléculas que lêem os códons e coletam todos os aminoácidos apropriados. Esses tRNAs geralmente reconheceriam os códons TCG e TCA. A equipe também deletou genes para um chamado fator de liberação que normalmente reconhece o códon de parada TAG. Essas mudanças tornaram a nova cepa bacteriana invulnerável a vírus, descobriu a equipe.
Os genomas do vírus contêm códons TCG, TCA e TAG, mas sem o tRNA certo e os fatores de liberação, o designer E. coli não consegue ler esses genes virais e, portanto, não pode ser vítima dos patógenos. “Quando o vírus infecta, ele não tem o mesmo código genético que nossas células [modificadas de E. coli], e então ele não pode fazer suas próprias proteínas e não pode se propagar”, disse Robertson.
Mas, novamente, o principal objetivo do estudo era reprogramar os códons liberados para gerar novas proteínas. Para fazer isso, a equipe gerou moléculas de tRNA que emparelharam com aminoácidos não naturais de seu próprio projeto; esses tRNAs foram programados para reconhecer os códons TCG, TCA e TAG agora ausentes da cepa de E. coli modificada. A equipe reintroduziu os códons ausentes, colocando-os dentro de pequenas alças de DNA, chamadas de plasmídeos, que podem ser inseridos na bactéria sem alterar seu genoma.
Os plasmídeos, tRNA e aminoácidos não naturais forneceram todos os projetos, ferramentas e materiais de que as células precisavam para construir proteínas projetadas para os pesquisadores. “Assim, você pode fazer proteínas em uma célula de forma programável, com base no DNA que fornecemos à célula, com 23 blocos de construção”, em vez de 20, disse Robertson. “É um sistema bastante plug-and-play.”
Outros grupos de pesquisa tentaram introduzir aminoácidos não naturais em proteínas no passado, mas essas estratégias não eram muito eficientes, escreveram Chatterjee e Delilah Jewel, uma estudante de pós-graduação no laboratório de Chatterjee, em um comentário publicado na mesma edição da Science. Por exemplo, o laboratório de Chatterjee emparelhou com sucesso aminoácidos não naturais com os códons de parada em E. coli, mas este método só permitiu a inserção desses aminoácidos não naturais em um único local na proteína final, relataram em um estudo de 2019 no Journal of a American Chemical Society.
Agora, com o novo método, os cientistas podem começar a expandir os limites de quais proteínas e polímeros podem construir, disse Chatterjee ao Live Science. “É meio que imaginação. Como poderiam ser esses aminoácidos?” ele disse. “Que tipo de química eles poderiam ter, funcionalidades poderiam ter, às quais a natureza nunca teve acesso?”
Olhando para o futuro, os cientistas podem potencialmente remover ainda mais códons do genoma da E. coli, liberando ainda mais canais para a construção de proteínas projetadas, disse Robertson. Mas, por enquanto, três canais abertos provavelmente são suficientes para trabalhar, disse ele. “Precisamos de sete canais abertos? Ou três canais abertos são suficientes para realmente expandir o que podemos fazer, em termos de fornecimento de novos aplicativos?” ele disse. “É benéfico focar apenas nos aplicativos agora.”
Publicado em 05/06/2021 23h49
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