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Cientistas criam primeiro organismo semi-sintético estável

Nova bactéria mantém as quatro bases naturais, mas também possui um novo par artificial

Shutterstock

O código genético da vida sempre possuiu apenas quatro bases naturais. Essas bases se juntam para formar dois “pares de bases” — os degraus da escada de DNA — e eles apenas foram rearranjados para criar bactérias e borboletas, pinguins e pessoas. Quatro bases formam toda a vida que conhecemos.

Mas isso foi até agora. Cientistas do Instituto de Pesquisa Scripps (TSRI, na sigla em inglês) anunciaram o desenvolvimento do primeiro organismo estável semi-sintético. Continuando um estudo realizado por eles em 2014, no qual sintetizaram um par base de DNA, os pesquisadores criaram uma nova bactéria que usa as quatro bases naturais (chamadas de A, T, C e G), que todo organismo vivo possui, mas que também tem como par duas bases sintéticas chamadas X e Y em seu código genético.

O professor Floyd Romesberg, do TSRI, e seus colegas mostraram que seu organismo unicelular pode manter o par de bases indefinidamente à medida que se divide. A pesquisa foi publicada no dia 23 de janeiro, online antes de impresso na revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Nós fizemos esse organismo semi-sintético mais parecido com o ‘natural’”, disse Romesberg, autor sênior do novo estudo.

Embora eventuais aplicações para esse tipo de organismo ainda estejam distantes no futuro, os pesquisadores dizem que o trabalho pode ser usado para criar novas funções para organismos unicelulares que já possuem papéis importantes na descoberta de drogas, e muitas outras funções.

Construíndo um organismo único

Quando Romesberg e seus colegas anunciaram o desenvolvimento de X e Y em 2014, eles mostraram também que as bactérias E.coli modificadas conseguiam manter esse par base sintético em seu código genético. O que essas E. coli não conseguiam, no entanto, era manter o par sintético em seu código indefinidamente, à medida que se dividiam. Com o tempo, o par base X e Y era deixado de lado, limitando as formas como o organismo poderia usar a informação adicional que seu DNA abrigava.

"Seu genoma não é estável por um dia apenas,” afirmou Romesberg. “Um genoma precisa estar estável para a escala do seu tempo de vida. Se o organismo semi-sintético será realmente um organismo, ele precisa ser capaz de manter essa informação de maneira estável.”

Romesberg comparou esse organismo falho com um ser infantil. Ainda tinha que aprender bastante, antes de estar pronto para a vida real.

Entram em cena o estudante de graduação do TSRI, Yorke Zhang, e Brian Lamb, membro da Sociedade Americana de Câncer e pós-doutor no laboratório de Romesberg durante o estudo. Juntos, eles ajudaram a desenvolver os meios para que o organismo unicelular retivesse o par de bases artificiais.

Primeiro, Zhang e Lamb, primeiros coautores do estudo, otimizaram uma ferramenta chamada transportador de nucleotídeos, que transporta através da membrana celular os materiais necessários para que o par de  bases não-naturais seja copiado.  "O transportador foi usado no estudo de 2014, mas ele adoeceu o organismo semi-sintético,” explicou Zhang. Os pesquisadores descobriram uma modificação no transportador que aliviou o problema, tornando muito mais fácil para o organismo crescer enquanto carregava o X e Y.

Depois, os pesquisadores aperfeiçoaram a versão antiga do Y. O novo Y é uma molécula quimicamente diferente que pode ser melhor reconhecido pelas enzimas que sintetizam moléculas de DNA durante a sua replicação. Isso facilitou o trabalho das células que copiam o par base sintético.

Um novo uso para a CRISPR-Cas9

Finalmente, os pesquisadores instalaram um sistema de “verificação ortográfica” para o organismo usando a CRISPR-Cas9, uma ferramenta cada vez mais popular em experimentos de edição de genoma. Mas ao invés de editar o genoma, os pesquisadores tiraram vantagem do papel original do CRISPR-Cas9 na bactéria.

As ferramentas genéticas na CRISPR-Cas9 (um segmento de DNA e uma enzima) originaram-se a partir de bactérias, como um tipo de resposta imune. Quando uma bactéria encontra uma ameaça, como um vírus, ela pega fragmentos do genoma do invasor e os copia em seu próprio genoma — algo semelhante a colar um cartaz de “procurado”, caso ela veja o invasor de novo. Mais tarde, ela pode usar esses genes copiados para direcionar uma enzima ao ataque se o invasor retornar.

Sabendo disso, os pesquisadores projetaram o organismo para que interpretasse uma sequência genética sem o X e Y como um invasor. Uma célula que deixasse de conter o X e Y seria marcada para destruição, o que deixou os cientistas com um organismo que poderia segurar as novas bases. Era como se o organismo fosse imune à perda de bases sintéticas.

"Nós conseguimos lidar com o problema a nível fundamental,” disse Lamb, que agora trabalha como pesquisador na empresa Vertex Pharmaceuticals.

O organismo semi-sintético deles foi capaz, assim, de manter o X e Y em seu genoma depois de se dividir 60 vezes, levando os pesquisadores a acreditar que ele poderá manter o par indefinidamente.

"Agora podemos manter a luz da vida acesa,” disse Romesberg. “Isso sugere que todos os processos vitais podem ser manipulados.”

Uma fundação para futuras pesquisas

Romesberg enfatizou que esse trabalho foi feito apenas em células únicas e que não é feito para ser utilizado em organismos mais complexos. Ele adicionou que as aplicações para esse organismo semi-sintético são “zero” no momento. Até agora, os cientistas só conseguiram fazer o organismo manter a informação genética.

Como próximo passo, os pesquisadores planejam estudar como seu código genético novo pode ser transcrito para RNA, a molécula nas células necessária para traduzir o DNA em proteínas. “Esse estudo estabelece a base para o que queremos fazer a seguir,” disse Zhang.


SCRIPPS RESEARCH INSTITUTE

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