Weizmann: novo circuito genético é criado fora de uma célula, em descoberta surpreendente

Circuito genético, de uma molécula de DNA, é uma rede de componentes celulares – genes, promotores, proteínas reguladoras – que juntos promovem a expressão gênica ou outro processo biológico

Eugenio Goussinsky

Pesquisadores do Instituto Weizmann de Ciências tiveram uma agradável surpresa ao observar a formação de uma proteína por uma única molécula de DNA fora de uma célula.

Esse evento inédito levou à criação do menor circuito genético autossuficiente já registrado, potencialmente útil para o design de células artificiais e nanodispositivos avançados em biotecnologia.

“Revelamos um princípio de design genético realmente engenhoso na natureza e isso nos permitiu construir um circuito em uma única molécula de DNA”, afirmou o pós-doutorando dr. Ferdinand Greiss, que liderou a pesquisa no laboratório do professor Roy Bar-Ziv no Departamento de Física Química e Biológica do Weizmann.

Similar a um circuito elétrico, no qual componentes trabalham juntos para produzir um efeito, como acender uma lâmpada, um circuito genético é uma rede de componentes celulares – genes, promotores, proteínas reguladoras – que juntos promovem a expressão gênica ou outro processo biológico.

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Esse circuito autônomo pode ser base para máquinas biológicas artificiais em aplicações médicas e biotecnológicas.

A surpresa agradável ocorreu porque o estudo começou com um experimento que produziu um resultado inesperado.

Greiss investigava aspectos de células artificiais, tema central de pesquisa no laboratório de Bar-Ziv. Ele projetou DNA de bactérias E. coli para criar um circuito com um gene codificando uma proteína reguladora, que agiria como um “interruptor” para outro gene, também incluindo uma etiqueta fluorescente que se acenderia quando o gene fosse expresso.

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Greiss integrou cerca de dez moléculas de DNA modificadas em uma célula artificial preenchida com uma solução que imitava o interior de um compartimento celular. Normalmente, para funcionar em células vivas ou artificiais, o DNA precisa gerar centenas a milhares de cópias de proteínas reguladoras.

Surpreendentemente, a etiqueta fluorescente indicou rapidamente que o gene de interesse foi expresso, regulado pelas poucas proteínas presentes.

Mais surpreendente ainda foi quando Greiss prendeu uma única molécula de DNA a uma superfície e a introduziu em uma solução; a etiqueta fluorescente também acendeu rapidamente. Mesmo em diluição extrema, a proteína “interruptor” conectou-se ao seu alvo de DNA com rapidez recorde.

“Nosso objetivo inicial era visualizar a síntese de proteína local fora de uma célula viva e verificar nossa suposição inicial de que fatores de transcrição (= proteínas que se ligam a sequências específicas de DNA e ativam ou inibem a expressão gênica) podem regular genes na mesma molécula de DNA”, afirmou Greiss ao Portal E21.

“O fato de que também poderíamos construir circuitos gênicos inteiros com feedbacks negativo e positivo excedeu nosso objetivo inicial surpreendentemente.”

A explicação plausível era que a proteína reguladora, depois de ser fabricada, permanecia temporariamente ligada ao DNA. Estudos anteriores sugeriam isso em E. coli, mas provar essa ligação era impossível com as tecnologias existentes. Isto porque a síntese de proteínas ocorre em menos de um minuto, enquanto etiquetas fluorescentes padrão levam vários minutos para acender.

Em colaboração com cientistas da Alemanha, Greiss desenvolveu uma nova etiqueta que acende em segundos, muito mais rápido que as etiquetas fluorescentes usuais. Depois de meses construindo uma instalação para usar essa etiqueta em observações microscópicas, ele e seus colegas finalmente observaram diretamente como uma nova proteína reguladora permanecia ligada ao DNA da E. coli, como se estivesse presa por um cordão umbilical até a expressão gênica ser completada.

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Ele descreveu o porquê de tão poucas proteínas reguladoras encontrarem seu caminho para o DNA da célula artificial tão rapidamente.

“Em células procarióticas (menores e sem núcleo), a síntese de proteínas pode acontecer como um processo acoplado com a transcrição de DNA em mRNA [RNA mensageiro] e tradução de mRNA em proteínas”, observou o professor ao Portal E21.

“Como as proteínas são sintetizadas localmente no DNA durante esse processo, a concentração efetiva é alta o suficiente [ou a distância entre proteína e DNA é curta o suficiente] para que as proteínas reguladoras possam encontrar seu caminho rapidamente.”

“Foi fascinante descobrir como a evolução conseguiu um design tão econômico,” comentou Greiss. Ele acrescentou que a observação experimental confirmou a existência de um princípio de design genético que até então só havia sido identificado teoricamente.

Os pesquisadores então usaram esse princípio de design para construir um circuito genético completo em uma única molécula de DNA. Além do “interruptor” de ativação, eles incluíram um “interruptor” de desativação, ambos programados para permanecerem ligados ao DNA até completarem sua função.

No futuro, diversas funções poderão ser programadas em nanocircuitos baseados nesse princípio.

“Mostramos que o DNA pode ser usado como um centro de atividade miniaturizado – quando o que está codificado no DNA permanece no DNA”, disse Bar-Ziv. “Isso significa que podemos considerar uma única molécula de DNA como uma entidade autossustentável – não precisa ser colocada em um compartimento próprio; pode funcionar em um compartimento de qualquer volume.”

Ele ainda completou:

Portanto, pode servir como um nanodispositivo independente para uma variedade de aplicações futuras, de biocomputação a diagnóstico e terapia médica.”