Os humanos têm usado o que sabem sobre o mundo biológico para fazer coisas durante séculos - da cerveja aos antibióticos. Mas, e se você pudesse manipular esse mundo em um nível genético muito básico para fazer algo que você precisava? Programar uma célula para produzir uma droga, gerar energia ou atacar um patógeno no corpo parece ser uma coisa de ficção científica, mas é o que o campo emergente da biologia sintética promete.
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Em um nível muito básico, a biologia sintética é como construir uma estrutura complexa a partir de Legos. Assim como o engenheiro da Lego deve descobrir como todos os pequenos blocos se encaixam, os cientistas precisam descobrir exatamente quais elementos genéticos eles precisam e como esses elementos se encaixam para construir essas estruturas biológicas, seja um gene, um caminho envolvendo alguns genes. ou até mesmo um cromossomo completo - uma estrutura que contém centenas de genes.
Nos últimos sete anos, uma equipe internacional de pesquisadores tem descoberto como construir um cromossomo de levedura a partir do zero. Agora, eles construíram um com sucesso e o integraram em uma célula de levedura viva. Seu trabalho, publicado hoje na revista Science, marca um avanço significativo no campo da biologia sintética - e um passo cauteloso em direção à capacidade de criar genomas projetados para plantas e animais.
"É o cromossomo mais extensivamente alterado já construído. Mas o marco que realmente conta é integrá-lo em uma célula viva de levedura", disse Jef Boeke, geneticista do Langone Medical Center da NYU e co-autor do estudo em um comunicado.
Por que fermento? Por um lado, os humanos têm um longo relacionamento com os fungos. Levedura de cerveja ( Saccharomyces cerevisiae ) tem sido usada para fazer cerveja e assar pão desde os tempos antigos. Hoje, o campo moderno da biotecnologia industrial está começando a usar levedura para produzir vacinas, medicamentos e biocombustíveis. No moderno laboratório de biologia, a levedura também é um organismo modelo porque suas células funcionam de maneira semelhante às células humanas. Ambos os seres humanos e leveduras são eucariontes, ou seja, suas células contêm um centro central chamado núcleo que armazena o DNA em cromossomos fortemente feridos. Como resultado, sabemos muito sobre biologia e genética de leveduras.
O geneticista Jef Boeke examina um prato de colônias de levedura contendo uma versão sintética de um cromossomo específico (Foto: NYU Langone) Para organismos sem núcleo celular, a biologia sintética já produziu genomas inteiros. Os cientistas criaram e reproduziram vírus por cerca de uma década. Em 2008, pesquisadores do Instituto J. Craig Venter, em Maryland, construíram um genoma bacteriano completo e passaram a produzir o primeiro organismo vivo com um genoma sintético (uma bactéria unicelular). Mas tal genoma microbiano contém apenas um cromossomo, enquanto os humanos têm 23 pares e cerveja levedura tem 16. Ter tantos genes em jogo pode significar muito mais variabilidade, de modo que ajustar um gene poderia ter implicações de longo alcance em todo o genoma.
Um dos cromossomos da levedura, por exemplo, contém um gene para o tipo de levedura (espécie de gênero) que por si só governa vários outros genes em todo o genoma. Isso fez com que fosse um ponto de partida atraente para Boeke e seus colegas. Em um computador, eles projetaram o que eles queriam que sua versão sintética desse cromossomo aparentasse. Então, na Universidade Johns Hopkins em Baltimore, a equipe de Boeke precisou de DNA, então ele começou a recrutar estudantes de graduação através de um curso “Build-A-Genome” em 2007. Os estudantes costuraram nucleotídeos, os compostos que formam os filamentos de DNA fragmentos de sequência genética ou "blocos de construção".
Para colar esses blocos de construção em minichunks maiores, os pesquisadores usaram diferentes tratamentos enzimáticos e até mesmo usaram a maquinaria de montagem genética da levedura. Finalmente, eles aproveitaram a tendência da levedura para recombinar pedaços de DNA em seu próprio genoma para montar, dividir por pedaço. Eventualmente, o fermento substituiu o cromossomo original selecionado com a versão sintética. Boeke compara todo o processo à construção de um livro: você começa fazendo palavras, depois parágrafos, páginas, capítulos e, finalmente, o próprio livro.
Uma vez construídos, Boeke e seus colegas queriam testar a funcionalidade do cromossomo sintético em células de levedura. Os pesquisadores projetaram o cromossomo para incluir marcadores especiais em genes considerados não essenciais - os marcadores foram projetados para que pudessem ser acionados por uma enzima para embaralhar, deletar ou duplicar genes.
A equipe então acionou os marcadores sistematicamente para fazer mais de 50.000 mudanças no cromossomo sintético em pontos específicos do código - negócios arriscados porque mudanças aleatórias poderiam facilmente matar a célula de levedura. "É um cromossomo muito difundido", diz Boeke. Quando eles alteraram ou deletaram genes, algumas células cresceram melhor que outras em condições variadas, mas todas as células cresceram.
Além disso, independentemente de como os pesquisadores ajustassem as condições de crescimento, as células com o cromossomo sintético ainda geravam colônias de levedura. "Apesar de todas essas mudanças, na verdade temos uma levedura que se parece com uma levedura, cheira a levedura e produz álcool como uma levedura", diz Boeke, acrescentando que "não podemos diferenciá-la. Isso significa que o genoma da levedura - pelo menos as porções que os pesquisadores acionaram para mudar - é altamente resiliente e pode lidar com muitas mutações, uma descoberta que é bastante impressionante do ponto de vista da engenharia genética.
Um mapa do cromossomo de levedura projetado por Boeke e seus colegas. (Imagem: Boeke et al.) “Este trabalho relata o primeiro cromossomo eucariótico estilista que foi sintetizado a partir do zero, o que é um passo importante para a construção de um genoma eucariótico projetado. Ele abre as portas para abordar muitas questões científicas e técnicas ”, diz Huimin Zhao, engenheiro biomolecular da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
Por exemplo, o cromossomo sintético feito pela equipe de Boeke é 14% menor que o cromossomo normal que eles procuraram duplicar. Então, qual é o menor genoma que alguém precisaria para fazer uma célula de levedura funcional? Com base nos métodos aplicados aqui, eles podem começar a testar essas perguntas no laboratório. E embora os caminhos da pesquisa sejam abundantes, Boeke diz que o próximo passo para sua equipe será usar essas técnicas para sintetizar todo o genoma da levedura.
Depois de sintetizar o genoma, os pesquisadores poderiam, em teoria, usar os marcadores para ajustar genes diferentes em uma escala maior. este poderia permitir-lhes personalizar células de levedura com genomas sintéticos adequados para fins específicos.
Por exemplo, algumas empresas de biotecnologia já inseriram genes em células de levedura que se replicam rapidamente para produzir grandes quantidades de uma versão sintética da droga artemisinina, e a engenharia de um genoma de projetista pode melhorar o processo de fabricação. Como a engenharia de um genoma de designer melhoraria o processo de fabricação? Que novos tipos de medicamentos podem ser feitos com levedura especialmente adaptada? Ou em um nível menos altruísta, que novos tipos de cervejas? Se você está olhando para tratar doenças humanas ou apenas quer um frio satisfatório no final do dia, a biologia sintética é agora um passo mais perto de ajudá-lo.
