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Fermento biológico recebe nova genética

Universitários constroem um cromossomo sintético com tecnologia acessível de produção de DNA

 

Lucy Reading-Ikkanda
O cromossomo da levedura está representado como uma cobra, com as posições das “mudanças customizadas” indicadas por alfinetes e diamantes brancos, e os segmentos eliminados (apagados) marcados em amarelo, usando a sequência do cromossomo nativo como uma referência.
Por David Biello

O humilde fermento (ou levedura) de padeiro, responsável por nossa cerveja, vinho e pão, entre outros alimentos básicos, foi convocado para servir às necessidades da humanidade. Domesticado há pelo menos um milênio, o fungo microscópico acaba de ter um de seus cromossomos trocado por uma versão sintética por um batalhão de universitários.

Um cromossomo é um filamento torcido de DNA, o código genético que ordena ao mecanismo celular de um organismo que tipos de proteínas produzir, entre outras funções vitais. No fermento de padeiro existem 16 cromossomos (em comparação com os 23 pares em humanos) e o chamado Synthetic Yeast 2.0 project (Projeto Fermento Sintético 2.0) concentrou-se no cromossomo número três, um “favorito de geneticistas de levedura”, segundo o biólogo Jef Boeke da Johns Hopkins University, que ajudou a conduzir a pesquisa. Isso se deve ao fato de ele conter a informação genética que controla o comportamento sexual da levedura. Como fungo, o Saccharomyces cerevisiae pode se reproduzir tanto sexuada como assexuadamente; sendo que os genes no cromossomo número três controlam o acasalamento, o que facilita rastreá-los por várias gerações. Ele também é o primeiro cromossomo a ter seu código transcrito integralmente por cientistas, além de ser o terceiro mais curto dos 16 cromossomos da levedura.

Nos primeiros anos do século 21, Boeke e seus colegas refletiam sobre o assunto enquanto tomavam um café em uma cafeteria da Johns Hopkins University, onde arquitetaram um esquema que deu origem ao Synthetic Yeast 2.0, um esforço concentrado para construir um genoma sintético para a levedura que permitiria um controle quase completo do organismo: tanto para aumentar a produção de bicombustíveis, como as “bolsas” de arem pão. Em2011, Boeke e seus colegas relataram seu sucesso na construção de um braço de um cromossomo — o cromossomo de número nove. Isso exigiu sintetizar meticulosamente cerca de 90 mil letras do código do DNA — A para adenina, G para guanina, C para citosina e T para timina — que compõem o código genético.

Como essa tarefa provou ser muito lenta, Boeke e seus colegas arregimentaram o que ele chamou “um exército de universitários de nosso ‘Curso para construir um genoma’” para construir um cromossomo de levedura — a totalidade do cromossomo três do fermento de padeiro, que contém mais de 316 mil pares de bases. Felizmente, havia um atalho: sintetizar apenas as seções consideradas essenciais ou não repetitivas, reduzindo o cromossomo a 272.871 pares mais “manejáveis”.

“O organismo em si é o carro-chefe da moderna biotecnologia e bioindústria”, garante o engenheiro biológico Drew Endy da Stanford University, que não esteve envolvido na pesquisa nem no projeto Synthetic Yeast 2.0. “É um grande exemplo de biotecnologia ‘conjunta’”.

Graças aos custos cada vez menores da produção de DNA, possibilitados por novas tecnologias, os estudantes sintetizaram o DNA em cerca de 750 “pedaços” de pares. O mecanismo celular da levedura “entendeu” esses pedaços como rupturas nos filamentos de DNA e incorporou o código novo, sintético, ao velho. Com o tempo, todo o cromossomo foi substituído pela nova versão sintética miniaturizada.

Essa foi a primeira vez que cientistas sintetizaram material genético de um organismo complexo — um marco histórico no campo da biologia sintética — dando aos jovens universitários envolvidos um triunfo no novo movimento conhecido como “biologia DIY” (uma abreviação, em inglês, para “Do it yourself biology”, ou “Biologia faça você mesmo”). Anteriormente, trabalhos especializados haviam obtido sucesso em sintetizar todo o código genético de microorganismos mais simples, como o patógeno de caprinos Mycoplasma mycoides, rebatizado JCVI-syn1.0 por seus criadores, que tem estado adormecido em um freezer desde 2010. Os novos resultados da equipe Synthetic Yeast 2.0 foram divulgados on-line na publicação científica Science em 27 de março.

Nem tudo correu bem. Ocasionalmente ocorreram “combinações inesperadas” quando o fermento incorporava o novo código, que é mais de 43 mil pares mais curto e tem diferenças geneticamente criadas em mais de 5.000 pares. Mas ao cruzar a levedura que continha o código sintético com um de seus pais, uma técnica conhecida como retrocruzamento, o projeto produziu um genoma ordenado. O fermento com o código sintético prosperou e não mostrou qualquer inibição de crescimento, tamanho, forma ou em sua capacidade de tolerar as condições normais da levedura.

“Isso é significativo como um exemplo da genômica sintética que visa muito mais que meramente fazer cópias de cromossomos. A nova tendência é criar alterações funcionais significativas, de preferência úteis para a produtividade e a segurança biotecnológicas”, observa o geneticista George Church, da Harvard Medical School, que não esteve envolvido no esforço, mas é um desenvolvedor de tecnologia para a biologia sintética.

Essa cepa parcialmente sintética em particular não terá utilidade em tanques de etanol ou em padarias, principalmente porque ela provou ser ainda mais vulnerável a altas concentrações de álcool que o fermento tradicional; uma falha que impede o aumento excessivo do tamanho dos tonéis de cervejarias em um ambiente industrial. Mas ela permitirá testar genes individuais específicos e suas interações, o que poderia levar ao desenvolvimento de leveduras muito mais resistentes. “Elas estão ficando fortes”, alegra-se Boeke sobre as cepas sintéticas. “Pretendemos cultivar milhares de gerações em quimiostatos (biorreatores aos quais se adiciona continuamente um meio de cultura fresco, enquanto se remove, também continuamente, líquido de cultura para manter o volume constante) para ver se conseguimos desenvolver leveduras com desempenhos melhores em altas concentrações de etanol ou outras condições especiais”.

“A perspectiva de poder criar, sintetizar e inserir sequências inteiras em organismos industriais é fascinante”, observa o biólogo molecular Carsten Hjort, diretor sênior de produção de tecnologia de cepas na Novozymes, uma empresa que utiliza fermento para produzir proteínas humanas para fins médicos, entre outras atividades. “Essa é uma conquista surpreendente que leva a síntese de DNA ao próximo nível”.

Enquanto isso, o fermento sintético permitirá pesquisas inéditas de questões como o que controla sua divisão, se um genoma funciona com apenas um cromossomo, ou com 100, e o papel do chamado “DNA-lixo” (“junk DNA”, em inglês), um termo talvez melhor entendido como um código com funções ainda desconhecidas, mas talvez vitais. “As perguntas são infinitas”, resume Boeke.

Por fim, resta ainda a tarefa de sintetizar os outros 15 cromossomos, sem falar nos outros mecanismos celulares, como as histonas (as principais proteínas que atuam como a matriz na qual o DNA se enrola), necessárias para o funcionamento adequado, além de criar um genoma totalmente sintético do fermento, uma tarefa que exigirá criar e produzir até 12 milhões de pares de letras de DNA que funcionem. O atual trabalho representa apenas 3% do caminho rumo a esse objetivo. “Acreditamos que ainda levará mais alguns anos para terminarmos o trabalho”, salienta Boeke. “Depois disso, não temos certeza qual será o próximo passo. A mosca-das-frutas? Algum tipo de verme?”.

 sciambr28mar2014