DNA ‘alienígena’ faz proteínas em células vivas pela primeira vez

O alfabeto genético expandido poderia permitir a produção de novos medicamentos à base de proteínas.   A vida passou os últimos bilhões de anos trabalhando com um vocabulário curto. Agora, pesquisadores quebraram essas regras, acrescentando...

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

 

A vida passou os últimos bilhões de anos trabalhando com um vocabulário curto. Agora, pesquisadores quebraram essas regras, acrescentando letras extra ao léxico limitado da biologia.

O químico Floyd Romesberg do Scripps Research Institute em La Jolla, Califórnia, e seus colegas manipularam células bacterianas de Escherichia coli para incorporar dois tipos de bases químicas importadas, ou letras, em seu DNA. As células, então, usaram essa informação para inserir aminoácidos forçados em uma proteína fluorescente1.

Os organismos codificam naturalmente informações hereditárias usando apenas quatro bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Essas bases formam pares que mantêm juntas as fitas da dupla hélice do DNA e diferentes codificações de três letras são usadas para cada um dos 20 aminoácidos que compõem as proteínas nas células vivas. O novo trabalho é o primeiro a mostrar que as bases nitrogenadas introduzidas podem ser usadas para produzir proteínas dentro de uma célula viva.

O feito, diz Romesberg, mostra que a biologia sintética – um campo focado na introdução de organismos com novos traços – pode atingir seus objetivos reinventando as facetas mais básicas da vida. “Não há um sistema biológico tão fundamental e intimamente relacionado com o que somos do que o armazenamento e recuperação de informações”, diz ele. “O que fizemos foi projetar uma nova parte que funcione bem ao lado das peças existentes e que pode fazer tudo o que elas fazem”.

Extensões do alfabeto

Várias equipes estão tentando expandir o código genético. As quatro bases naturais do DNA podem ser organizadas em 64 combinações diferentes de três letras, chamadas códon, que especificam aminoácidos. Mas a redundância neste código – por exemplo, CGC, CGA, CGG e CGT representam o aminoácido arginina – significa que quase todas as proteínas necessárias para a vida são feitas apenas de 20 aminoácidos.

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

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

Os pesquisadores primeiro imaginaram um alfabeto genético expandido no início dos anos 1960. O primeiro grande sucesso ocorreu em 1989, quando uma equipe liderada pelo químico Steven Benner, então no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, forjava moléculas de DNA contendo formas modificadas de citosina e guanina2. Essas letras de DNA “estranhas”*, como Benner as chamou, podiam replicar e fazer RNA e proteínas em reações de tubo de ensaio.

DNA mais estranho

Ao longo das duas últimas décadas, a equipe de Romesberg fez centenas de moléculas de DNA ainda mais estranhas. Ao contrário dos pares convencionais de bases no DNA e aqueles feitos pela equipe de Benner – que estão unidos por átomos de hidrogênio compartilhados – essas bases estrangeiras se juntam por causa de sua insolubilidade na água, imitando em grande parte como as gotículas de gordura se acumulam na água.

Para funcionar em células vivas, porém, os pares de bases estrangeiras precisam ficar ao lado de bases naturais sem perturbar a estrutura do DNA ou interromper tarefas essenciais, como os processos que copiam fielmente o DNA e o transcreve para o RNA mensageiro – uma molécula intermediária entre DNA e proteínas. Em 2014, o laboratório de Romesberg relatou um avanço: uma cepa de E. coli com uma etapa do DNA contendo um único par de bases não naturais3. O “DNA alienígena” foi feito de produtos químicos chamados dNaM e d5SICS (apelidado de X e Y, respectivamente). Mas as células se dividiram de forma lenta e tendiam a perder o DNA implantado ao longo do tempo.

Em um artigo publicado no início deste ano4, Romesberg e os pesquisadores de sua equipe criaram uma E. coli mais saudável e semissintética que não rejeitou tão facilmente o seu DNA alienígena (nesta versão, o d5SICS foi substituído por um químico de forma semelhante chamado dTPT3). No entanto, essa cepa, como relatado no artigo de 2014, não tinha a capacidade de usar seus novos códons.

Gráfico: Adaptado de Synthorx Inc. 2015. Estrutura: Pedelacq, J. D. et al. Nat. Biotechnol. 24, 79-88 (2006) / RCSB PDB
Gráfico: Adaptado de Synthorx Inc. 2015. Estrutura: Pedelacq, J. D. et al. Nat. Biotechnol. 24, 79-88 (2006) / RCSB PDB

Na pesquisa mais recente1, relatada na Nature em 29 de novembro, a equipe criou células saudáveis que podem, finalmente, usar o DNA estrangeiro. Em experimentos separados, as células incorporaram dois aminoácidos não naturais (chamados PrK e pAzF) em uma proteína que emite um leve brilho verde. As bases estrangeiras e os aminoácidos foram introduzidos nas células, e qualquer organismo que de alguma forma escape do laboratório não seria capaz de produzi-los. Para permitir que as células usem esses novos componentes, os pesquisadores criaram versões modificadas de moléculas chamadas tRNAs, que funcionam lendo os códons e transportando os aminoácidos apropriados para as fábricas de proteínas das células – os ribossomos.

Os novos aminoácidos não alteraram a forma ou a função da proteína verde fluorescente. Mas “agora que podemos armazenar e recuperar informações”, diz Romesberg, “vamos fazer algo com isso”. No trabalho inédito, sua equipe inseriu um par de bases estrangeiras em um local crítico no gene envolvido na resistência a antibióticos. As bactérias que produziram o DNA estrangeiro tornam-se sensíveis a medicamentos relacionados à penicilina.

Loja de doces

Romesberg abriu uma empresa de biotecnologia, chamada Synthorx, também em La Jolla, que está tentando incorporar aminoácidos não naturais em medicamentos baseados em proteínas tal como a IL-2, uma proteína que regula o número de glóbulos brancos. A abordagem pode ser usada para projetar medicamentos que são absorvidos pelas células mais facilmente, por exemplo, ou medicamentos menos tóxicos ou que são transformados mais rapidamente. As proteínas podem também ser construídas tendo propriedades que faltam nos aminoácidos convencias, como a habilidade de atacar elétrons vigorosamente. “É como ser uma criança em uma loja de doces”, diz Romesberg. Mas neste caso, “a criança passou vinte anos fantasiando entrar naquela loja doce. De repente, fico pensando qual o doce vou querer”.

Pesquisadores liderados por Benner e Ichiro Hirao, um químico biológico do Institute of Bioengineering and Nanotechnology em Singapura, desenvolveu sistemas em tubos de ensaio para usar DNA estrangeiro de modo a codificar aminoácidos não naturais. Mas Hirao vê vantagens em colocar tais aminoácidos dentro das células vivas. Proteínas contendo aminoácidos não naturais podem ser obtidas em larga escala e a menores custos usando células bacterianas, ele diz. Levar a tecnologia para células eucariontes pode permitir o desenvolvimento de novos antibióticos também.

Contudo, Benner, que agora está na Foundation for Applied Molecular Evolution, próximo a Gainesville, Flórida, sugere que, devido ao fato do sistema de Romesberg depende em forças hidrofóbicas relativamente fracas para manter os pares de bases estrangeiros juntos, o potencial de uso em aplicações industriais pode ser limitado. As células podem tolerar raras bases estrangeiras, Banner diz, mas “alguém não pode simplesmente construí todo um sistema genético com elas”.

Romesberg e seus colegas estão agora trabalhando em expandir mais o alfabeto genético deles. Até agora, a equipe já identificou doze códons a mais contendo X e Y que são funcionais, diz Romesberg, mas “ainda há muito a fazer”.

De Ewen Callaway5 para a Nature.

*Nota de tradução. A autora utilizou a palavra inglesa “funny”, que em inglês pode sigificar engraçado, divertido, curioso ou estranho. Optamos por “estranho” ao traduzir, por entendermos ser mais adequado ao contexto.

Referências:

  1. Zhang, Y.et alNature http://dx.doi.org/10.1038/nature24659 (2017);
  2. Switzer, C., Moroney, S. E.& Benner, S. A. J. Chem. Soc. 111, 8322–8323 (1989);
  3. Malyshev, D. A.et al. Nature 509, 385–388 2014;
  4. Zhang, Y.et alNatl Acad. Sci. USA 114, 1317–1322 (2017).
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