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Bases nitrogenadas sintéticas produzem proteínas pela primeira vez em células vivas

Um alfabeto genético expandido poderia permitir a produção de novos medicamentos à base de proteínas

Pixabay
A vida passou os últimos bilhões de anos trabalhando com um vocabulário reduzido. Agora, cientistas quebraram essas regras, acrescentando letras extras ao limitado léxico biológico.

O químico Floyd Romesberg do Instituto de Pesquisa Scripps em La Jolla, Califórnia, e seus colegas manipularam células da bactéria Escherichia coli para incorporar dois tipos de bases químicas - ou letras - estrangeiras em seu DNA. Então, as células utilizaram essa informação da inserir aminoácidos não naturais em uma proteínas fluorescente.

Os organismos codificam naturalmente informações hereditárias usando apenas quatro bases: adenina (identificada pelos cientistas pela letra A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Elas se juntam em pares que se estruturam na dupla hélice do DNA, e diferentes sequências de três letras codificam cada um dos 20 aminoácidos que constituem as proteínas nas células vivas. O novo trabalho é o primeiro a mostrar que bases não naturais podem ser utilizadas para produzir proteínas dentro de uma célula viva.

A conquista, diz Romesberg, mostra que a biologia sintética - um campo focado em organismos imbuídos com novos traços - pode alcançar seus objetivos reinventando as facetas mais básicas da vida. “Não há um sistema biológico tão fundamental e mais intimamente relacionado ao que nós somos do que o armazenamento e a recuperação de informação”, ele disse. “O que fizemos foi projetar uma nova parte que funciona bem ao lado das partes existentes e pode fazer tudo o que elas fazem.”

Extensões do alfabeto

Diversas equipes estão tentando expandir o código genético. As quatro bases naturais do DNA podem se arranjar em 64 combinações diferentes de três letras, chamadas códons, as quais especificam os aminoácidos. Porém, a redundância nesse código - CGC, CGA, CGG e CGT, por exemplo, são todas combinação referentes ao mesmo aminoácido arginina - significa que quase todas as proteínas necessárias à vida são feitas de apenas 20 aminoácidos.

Pesquisadores, incluindo o geneticista George Church da Escola de Medicina de Harvard em Boston, Massachusetts, estão trabalhando na reutilização de códons redundantes para especificar novos aminoácidos. O grupo de Romesberg está explorando uma estratégia diferente: acrescentar um par de bases inteiramente novo no DNA. Isso aumentaria imensamente o número de códons possíveis, dando às células - em teoria - a capacidade de explorar mais de 100 aminoácidos extras.

Embora Church ainda acredite que sua abordagem seja mais prática para a maioria das aplicações, ele descreve o novo trabalho como um “marco na exploração dos blocos de construção fundamentais da vida”.

Pesquisadores imaginaram um alfabeto genético expandido pela primeira vez no início dos anos 1960. O primeiro grande sucesso veio em 1989, quando uma equipe liderada pelo químico Steven Benner, na época no Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Zurique, moldou moléculas de DNA contendo formas modificas de citosina e guanina. Essas letras “engraçadas” de DNA, como Benner as chamava, conseguiram se replicar e produzir RNA e proteínas em reações em tubos de ensaio.

DNA mais “engraçado”

Nas últimas duas décadas, a equipe de Romesberg fez centenas de moléculas de DNA ainda mais “engraçadas”. Diferentemente dos pares de bases convencionais no DNA e daqueles feitos pela equipe de Benner - os quais estão unidos por átomos de hidrogênio compartilhados - estas bases "estrangeiras" se mantêm juntas devido a sua insolubilidade em água, em grande parte imitando o modo como gotículas de gordura se acumulam no líquido.

Contudo, para funcionar em células vivas, os pares de bases artificais precisam ficar ao lado de bases naturais sem perturbar a forma do DNA ou interromper tarefas essenciais, como os processos que copiam fielmente o DNA e o transcrevem em RNA mensageiro - uma molécula intermediária entre o DNA e as proteínas. Em 2014, o laboratório de Romesberg relatou um avanço: uma forma de E. coli com um pedaço de DNA contendo um único par de bases não naturais. O "DNA alienígena" era feito de produtos químicos chamados dNaM e d5SICS (apelidados de X e Y, respectivamente). Porém, as células se dividiram lentamente e tendiam a perder seu DNA estrangeiro ao longo do tempo.

Em um artigo publicado no início deste ano, a equipe de Romesberg criou uma bactéria E. coli mais saudável e semi-sintética que não rejeitou tão facilmente seu DNA estrangeiro (nesta versão, o d5SICS foi substituído por um químico de forma semelhante chamado dTPT3). No entanto, essa bactéria, como aquela relatada em 2014, não tinha a capacidade de usar seus novos códons.

Na última pesquisa, publicada na revista Nature em 29 de novembro, a equipe criou células saudáveis que finalmente podem usar seu DNA estrangeiro. Em experimentos separados, as células incorporaram dois aminoácidos não naturais (chamados PrK e pAzF) em uma proteína a qual emite um suave brilho verde. Tanto as bases "estrangeiras" quanto os aminoácidos foram transmitidos para as células, e qualquer organismo que, de alguma forma, escapasse do laboratório não conseguiria produzi-los. Para permitir que as células utilizassem esses novos componentes, os pesquisadores criaram versões modificadas de moléculas chamadas tRNAs, cuja funcionalidade é ler códons e transportar os aminoácidos apropriados para as fábricas de proteínas das células - os ribossomos.

Os novos aminoácidos não alteraram o formato ou a função da proteína verde fluorescente. Contudo, "agora que podemos armazenar e recuperar informações", diz Romesberg, "vamos fazer algo com isso". Em um trabalho não publicado, sua equipe inseriu um par de bases estrangeiras em um local estratégico do gene envolvido na resistência a antibióticos. As bactérias que perderam seu DNA estrangeiro tornam-se sensíveis aos medicamentos relacionados à penicilina.

Loja de doces

Romesberg criou uma empresa de biotecnologia, chamada Synthorx, também em La Jolla, que está tentando incorporar aminoácidos não naturais em medicamentos à base de proteínas - como a IL-2, uma proteína a qual regula o número de glóbulos brancos. A abordagem poderia ser utilizada para projetar drogas mais facilmente absorvidas pelas células, por exemplo, ou que são menos tóxicas ou que quebram mais rapidamente. As proteínas também podem ser projetadas para ter propriedades as quais faltam aos aminoácidos convencionais, como a capacidade de atrair fortemente elétrons. "É como ser um garoto em uma loja de doces", diz Romesberg. Porém, neste caso, "a criança passou 20 anos fantasiando sobre entrar na loja de doces. De repente, estou pensando no tipo de doce que posso pegar."

As equipes lideradas por Benner e Ichiro Hirao, químico biológico do Instituto de Bioengenharia e Nanotecnologia de Cingapura, já desenvolveram sistemas de tubos de ensaio para usar DNA "estrangeiro" na codificação de aminoácidos não naturais. Entretanto, Hirao vê vantagens em se mudar para células vivas. As proteínas que contêm aminoácidos não naturais poderiam ser feitas em maior escala e de maneira mais barata utilizando células bacterianas, segundo ele. Trazer a tecnologia a células eucarióticas também permitiria o desenvolvimento de novos medicamentos de anticorpos.

No entanto, Benner, que agora está na Fundação para Evolução Molecular Aplicada perto de Gainesville, Flórida, sugere que, devido ao sistema de Romesberg depender de forças hidrofóbicas relativamente fracas para manter juntos os pares de bases "estrangeiras", seu potencial para aplicações industriais pode ser limitado. As células podem tolerar a rara base estrangeira, diz Benner, mas "simplesmente não é possível construir todo um sistema genético a partir delas".

Agora, Romesberg e seus colegas estão trabalhando para expandir ainda mais seu alfabeto genético. Até o momento, a equipe identificou mais 12 códons funcionais contendo X e Y, diz o químico, mas “ainda há muito o que fazer”.

Ewen Callaway, Nature

Este artigo é reproduzido com permissão e foi originalmente publicado em 29 de novembro de 2017.
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