É possível reprogramar a vida à vontade? Para biólogos sintéticos, sim. O código central da biologia é simples. As letras do DNA, em grupos de três, são traduzidas em blocos de aminoácidos-Lego que produzem proteínas. As proteínas constroem nossos corpos, regulam nosso metabolismo e nos permitem funcionar como seres vivos. Projetar proteínas personalizadas muitas vezes significa que você pode redesenhar pequenos aspectos da vida – por exemplo, fazer com que uma bactéria bombeie drogas que salvam vidas, como a insulina.
Toda a vida na Terra segue esta regra: uma combinação de 64 códigos tríplice de DNA, ou “códons”, são traduzidos em 20 aminoácidos.
Mas espere. A matemática não faz a soma. Por que 64 códons dedicados não produziriam 64 aminoácidos? A razão é a redundância. A vida evoluiu de modo que vários códons muitas vezes produzem o mesmo aminoácido.
Então, o que acontece se entrarmos nesses códons “extras” redundantes de todos os seres vivos e, em vez disso, inserirmos nosso próprio código?
Uma equipe da Universidade de Cambridge recentemente fez exatamente isso. Em um tour de force tecnológico, eles usaram o CRISPR para substituir mais de 18.000 códons por aminoácidos sintéticos que não existem em nenhum lugar do mundo natural. O resultado é uma bactéria que é virtualmente resistente a todas as infecções virais – porque lhe faltam os “puxadores de porta” protéicos normais que os vírus precisam para infectar a célula.
Mas isso é apenas o começo das superpotências da engenharia da vida. Até agora, os cientistas só conseguiram introduzir um único aminoácido de engenharia em um organismo vivo. O novo trabalho abre a porta para invadir vários códons existentes ao mesmo tempo, copiando pelo menos três aminoácidos sintéticos ao mesmo tempo. E quando são 3 em cada 20, isso é suficiente para reescrever fundamentalmente a vida tal como ela existe na Terra.
Há muito tempo pensamos que “a liberação de um subconjunto de… códons para reatribuição poderia melhorar a robustez e versatilidade da tecnologia de expansão do código genético”, escreveram as Drs. Delilah Jewel e Abhishek Chatterjee no Boston College, que não estavam envolvidos no estudo. “Este trabalho transforma elegantemente esse sonho em uma realidade”.
Hackeando o Código de DNA
Nosso código genético está subjacente à vida, à herança e à evolução. Mas ele só funciona com a ajuda de proteínas.
O programa de tradução de genes, escritos nas quatro letras do DNA, para os verdadeiros blocos de construção da vida depende de uma fábrica de decriptação celular completa.
Pense nas letras A, T, C e G do DNA como um código secreto, escrito em um longo pedaço de papel enrugado enrolado em torno de um rolo. Grupos de três “letras”, ou códons, são o crux – o código do aminoácido que uma célula faz. Uma molécula mensageira (mRNA), uma espécie de espião, copia furtivamente a mensagem de DNA e volta para o mundo celular, fechando a mensagem para a fábrica de proteínas da célula – uma espécie de organização central de inteligência.
Lá, a fábrica recruta múltiplos “tradutores” para decifrar o código genético em aminoácidos, apropriadamente chamados de tRNAs. As letras são agrupadas em três, e cada tradutor tRNA arrasta fisicamente seu aminoácido associado para a fábrica de proteína, um a um, de modo que a fábrica eventualmente faz uma cadeia que se enrola em uma proteína 3D.
Mas, como qualquer código robusto, a natureza programou redundância em seu processo de tradução de DNA para proteína. Por exemplo, os códigos de DNA TCG, TCA, AGC, e AGT codificam todos para um único aminoácido, serina. Enquanto funciona em biologia, os autores se perguntavam: e se nós entrássemos nesse código, o sequestrássemos e redirecionássemos algumas das direções da vida usando aminoácidos sintéticos?
Sequestrando o Código Natural
O novo estudo vê a redundância da natureza como uma forma de introduzir novas capacidades nas células.
Para nós, uma pergunta era “você poderia reduzir o número de códons que são usados para codificar um determinado aminoácido, e assim criar códons que são livres para criar outros monômeros [aminoácidos]?” perguntou o autor principal Dr. Jason Chin.
Por exemplo, se o TCG é para sereno, por que não liberar os outros-TCA, AGC e AGT- para algo mais?
É uma grande idéia em teoria, mas uma tarefa verdadeiramente assustadora na prática. Significa que a equipe tem que entrar em uma célula e substituir cada códon que eles querem reprogramar. Alguns anos atrás, o mesmo grupo mostrou que isso é possível no E. Coli, o insecto favorito do laboratório e da farmacêutica. Naquela época, a equipe deu um salto astronômico em biologia sintética ao sintetizar todo o genoma do E. Coli a partir do zero. Durante o processo, eles também brincaram com o genoma natural, simplificando-o, substituindo alguns códons de aminoácidos por seus sinônimos – dizem, removendo os TCGs e substituindo-os por AGCs. Mesmo com as modificações, as bactérias foram capazes de prosperar e se reproduzir facilmente.
É como pegar um livro muito longo e descobrir quais palavras substituir por sinônimos sem mudar o significado das frases – para que as edições não prejudiquem fisicamente a sobrevivência da bactéria. Um truque, por exemplo, era apagar uma proteína chamada “fator de liberação 1”, o que facilita a reprogramação do códon UAG com um novo aminoácido. Trabalhos anteriores mostraram que isto pode atribuir novos blocos de construção aos códons naturais que são verdadeiramente “em branco” – ou seja, eles não codificam nada naturalmente de qualquer maneira.
Uma criatura sintética
A equipe de Chin levou isto muito mais longe. Ela preparou um método chamado REXER (replicon excision for enhanced genome engineering through programmed recombination) – sim, os cientistas são todos a favor dos backcronyms – o que inclui a ferramenta de edição de genes CRISPR-Cas9. Com o CRISPR, eles extraíram precisamente grandes partes do genoma da bactéria E. coli, feitas inteiramente do zero dentro de um tubo de ensaio, e depois substituíram mais de 18.000 ocorrências de códons “extras” que codificam para sereno por códons sinônimos.
Como o truque só visava o código de proteína redundante, as células foram capazes de realizar seus negócios normais – incluindo a produção de soro – mas agora com múltiplos códons naturais livres. É como substituir “oi” por “oy”, tornando “oi” agora livre para ser atribuído um significado completamente diferente.
A equipe fez a seguir uma limpeza da casa. Eles removeram os tradutores naturais das células – os tRNAs – que normalmente lêem os códons agora extintos sem prejudicar as células. Eles introduziram novas versões sintéticas dos tRNAs para ler os novos códons. As bactérias projetadas foram então naturalmente desenvolvidas dentro de um tubo de ensaio para crescerem mais rapidamente.
Os resultados foram espetaculares. A cepa superpotente, Syn61.Δ3(ev5), é basicamente uma bactéria X-Men que cresce rapidamente e é resistente a um coquetel de diferentes vírus que normalmente infectam bactérias.
“Como toda a biologia usa o mesmo código genético, os mesmos 64 códons e os mesmos 20 aminoácidos, isso significa que os vírus também usam o mesmo código… eles usam a maquinaria da célula para construir as proteínas virais para reproduzir o vírus”, explicou Chin. Agora que a célula bacteriana não pode mais ler o código genético padrão da natureza, o vírus não pode mais entrar na maquinaria bacteriana para se reproduzir, o que significa que as células projetadas são agora resistentes a serem sequestradas por quase todos os invasores virais”.
“Estas bactérias podem ser transformadas em fábricas renováveis e programáveis que produzem uma ampla gama de novas moléculas com propriedades inovadoras, o que poderia ter benefícios para a biotecnologia e a medicina, incluindo a fabricação de novos medicamentos, tais como novos antibióticos”, disse Chin.
A despeito da infecção viral, o estudo reescreve o que é possível para a biologia sintética.
“Isto permitirá inúmeras aplicações”, disse Jewel e Chatterjee, tais como biopolímeros completamente artificiais, ou seja, materiais compatíveis com a biologia que poderiam mudar disciplinas inteiras, tais como medicina ou interfaces cérebro-máquina. Neste caso, a equipe foi capaz de amarrar uma cadeia de blocos de construção de aminoácidos artificiais para fazer um tipo de molécula que forma a base de alguns medicamentos, tais como aqueles para câncer ou antibióticos.
Mas talvez a perspectiva mais excitante seja a capacidade de reescrever dramaticamente a vida existente. Semelhante às bactérias, nós – e toda a vida na biosfera – operamos com o mesmo código biológico. O estudo agora mostra que é possível superar o obstáculo de apenas 20 aminoácidos que compõem os blocos de construção da vida, explorando nossos processos biológicos naturais.
Em seguida, a equipe está procurando reprogramar ainda mais nosso código biológico natural para codificar ainda mais blocos de construção de proteínas sintéticas em células bacterianas. Eles também se moverão para outras células – mamíferos, por exemplo, para ver se é possível comprimir nosso código genético.
Esta matéria apareceu primeiro em Singularity Hub. Tradução de SOCIENTÍFICA.
