YouTube

Artigos Recentes

Brincando de Deus: Cientistas finalmente conseguiram expandir o alfabeto genético e agora estão criando novas formas de vida


          A vida como hoje a conhecemos, incluindo os vírus ou não, é baseada em um pequeno alfabeto. O DNA, basicamente, é uma junção de pares de 4 letras distintas: A, G, C e T. A forma como essas letras estão dispostas definem todas as variações de formas de vida ao nosso redor, seja protista, seja eucarionte. E, agora, os cientistas conseguiram encaixar duas novas letras nesse alfabeto e de forma funcional (Ref.1)! Estamos avançando na engenharia genética como nunca antes imaginado e o potencial da biologia sintética é ilimitado, possibilitando a criação de diversas novas formas de vida e de funções biológicas originais.



          Antes do novo estudo ser destrinchado aqui neste artigo, fica a sugestão de primeiro você dar uma lida na primeira parte do texto, antes de dar prosseguimento com a leitura na segunda parte de interesse. Quando o assunto é genética, muitos ficam cheios de dúvidas quanto aos termos usados nos estudos científicos. Nesse sentido, antes de entrarmos em detalhes no novo avanço dado pelos pesquisadores, será dada uma breve explicação sobre o que é o DNA e como funciona a síntese de proteínas no corpo. Em caso de quaisquer dúvidas, deixe-as nos comentários e elas serão eventualmente respondidas.



   O QUE É O DNA?

           O DNA - sigla em inglês para 'ácido desoxirribonucleico' - é uma molécula orgânica polimérica que representa o material hereditário em humanos e em quase todos os outros organismos vivos na Terra (aqui entramos com certos vírus como exceção, os quais carregam RNA apenas). Praticamente todas as células no corpo de uma pessoa carregam o mesmo DNA. A maior parte do nosso DNA é encontrado no núcleo celular, com uma pequena quantidade confinada nas mitocôndrias (DNA mitocondrial ou mtDNA) - organelas responsáveis por produzirem energia (ATP) para as células.

         A informação no DNA é armazenada na forma de um código constituído de quatro bases químicas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T). O DNA humano possui mais de 2 bilhões dessas bases e mais de 99,6% delas (em termos de sequência) são as mesmas em todas as pessoas. A ordem, ou sequência, dessas bases determinam a informação disponível para a construção e manutenção de um organismo, de forma bastante similar ao que as letras do alfabeto de escrita podem ser organizados para produzir palavras e textos, como este artigo.



          As bases de DNA, por afinidade química, formam pares entre si, sendo A sempre com T, e C sempre com G, produzindo unidades chamadas de 'pares de bases'. Cada base é também ligada a uma molécula de açúcar (desoxirribose) e uma molécula de fosfato. Juntos, uma base, açúcar, e fosfato são chamados de 'nucleotídeo'. Os nucleotídeos são arranjados em duas longas fileiras que formam uma espiral chamada de 'dupla hélice'. A estrutura da dupla hélice é tipo uma escada, com as bases de pares formando os degraus e as estruturas de açúcar e fosfato formando o corrimão vertical.

          A mais importante propriedade do DNA é a sua capacidade de replicação, conseguindo realizar cópias de si mesmo. Cada cadeia de DNA na dupla hélice pode servir como um padrão para a duplicação da sequência de bases, sendo isso crítico quando as células se dividem, já que a nova célula precisa ter uma cópia exata do DNA presente na antiga célula (exceto na formação de gametas sexuais, os quais possuem metade da quantidade original de cromossomos). Além disso, as sequências coordenam a produção do RNA - ácido ribonucleico -, necessário para a síntese de proteínas no corpo, as quais cumprem papeis diversos em todos os seres vivos, desde estrutural até hormonal. Mutações ocorrem quando as disposições desses pares são alteradas, seja por deleção, substituição ou adição.





- Continua após o anúncio -



          Nesse sentido, temos os genes, os quais são as unidade físicas básicas de herança genética e de comando de síntese proteica/RNA. Os genes são passados de pais para filhos e contêm a informação necessária para especificar traços, ou seja, são eles que expressam o que será feito no corpo, e podem estar ativados ou desativados, onde esses estados podem ser definidos via genética ou epigenética. Os genes são trechos do DNA, e acabam sendo arranjados um após o outro em estruturas chamadas de 'cromossomos'. Um cromossomo é uma longa e única molécula de DNA, sendo que os humanos possuem 23 pares de cromossomos e mais de 20 mil genes constituindo-os (no total). Caso ocorram erros durante os processos de produção das células haploides de reprodução (espermatozoides ou óvulos, os quais possuem apenas uma cópia dos cromossomos, ou seja, 23 cromossomos no total), e a célula-ovo resultante tenha mais ou menos cromossomos, doenças genéticas surgem, como a Síndrome de Down, onde existe um cromossomo a mais no par 21.


          Muitas espécies de bactérias possuem apenas um cromossomo na célula (lembre-se que as bactérias são unicelulares), cada um deles contêm apenas uma cópia para cada gene em quase todos os casos e os genes são quase sempre interruptos. Já os bem mais complexos e números cromossomos nos eucariontes possuem várias sequências dentro de um gene que não possuem uma aparente função (introns) e basicamente interrompem as sequências ativas (exons). Apenas cerca de 1,5% do DNA humano codifica um produto genético e se as sequências de introns fossem incluídas, seriam 30% de genes que codificam algo.

- Continua após o anúncio -



   COMO É REALIZADA A SÍNTESE PROTEICA?

            Basicamente, os traços - genes - do DNA coordenam a produção de proteínas a partir da combinação de diferentes bases (A, G, G e T). Proteínas (polipeptídeos) - como as enzimas, certos hormônios, constituintes musculares e outros componentes estruturais diversos - são a base da vida e são formadas pela junção de vários aminoácidos ligados em cadeia. Cada aminoácido, por sua vez, é determinado por três nucleotídeos consecutivos - códons - em uma única fileira de DNA, com esses 'códons' arranjados em uma sequência que corresponde à sequência de aminoácidos no polipeptídeo que o gene codifica.

            Existem 20 aminoácidos compondo as estruturas proteicas dos seres vivos, os quais são englobados nas 64 possibilidades de organização das quatro letras do DNA - 43 = 64. Bem, mas como não existem 64 aminoácidos entre os seres vivos, isso significa que mais de um códon codifica o mesmo aminoácido ('degenerados'), como pode ser visto em uma das figuras mais à frente. E como ocorre essa síntese, no caso dos eucariontes? Primeiro, regiões específicas do DNA (genes) codificam uma mensagem (RNA mensageiro, ou mRNA) em um processo chamado de transcrição - com a ajuda da enzima RNA polimerase. Esse mRNA se une a um ribossomo (organela de produção proteica constituída de uma estrutura formada por RNA ribossômico, ou rRNA,e proteínas) e, através de aminoácidos soltos no citoplasma tragos anexados à moléculas de RNA transportador (tRNA) - estes também produzidos por genes específicos e soltos no citoplasma -, é iniciada a produção da proteína respeitando a ordem de códons no mRNA, em um processo conhecido como 'translação'.



- Continua após o anúncio -



        Na transcrição, apenas parte do DNA se abre (no gene específico) para servir de referência para a formação do mRNA. Após a liberação do mRNA, a dupla hélice é refeita. Como o DNA não pode sair do núcleo, o mRNA acaba sendo o mensageiro das instruções. Os aminoácidos são unidos na proteína por ligações peptídicas. Alguns aminoácidos podem ser tragos ao ribossomo por vários tipos de tRNA possuindo diferentes anticódons (sequência de três letras no tRNA que complementam três letras no mRNA). Outros só podem ser tragos por um. Alguns códons não especificam aminoácidos, apenas especificam quando uma proteína está completa, ou seja, são códons de terminação (UGA, UAG e UAA). Nessa história toda, o ribossomo cataliza a síntese proteica.


           Todos os tipos de RNA são produzidos por genes específicos, e cumprem a função básica de serem os representantes de ação do DNA, seja atuando como orientadores ou transportadores. No DNA eles são criados através da ação da enzima polimerase, a qual cria cadeias de RNA pareando as bases que constituem os pares de um gene alvo, ou seja, uma guanina no trecho do DNA será uma citosina no trecho do RNA, e uma adenina no trecho do DNA será uma uracila no trecho do RNA (note que a timina no DNA não aparece no RNA, sendo substituída pela uracila - U).

- Continua após o anúncio -



   DUAS NOVAS LETRAS FUNCIONAIS CRIADAS

            Agora que você está mais familiarizado com o nosso alfabeto e linguagem genética, vamos entender o impacto da fantástico novo avanço científico. Devido à Evolução Biológica (1) e consequente ancestralidade comum, os seres vivos hoje no planeta acabam compartilhando características genéticas muito similares, incluindo um limitado alfabeto de quatro letras sendo reaproveitado ao longo da linha evolutiva, como já exposto.

        Mas essa limitação natural começou a mudar quando no começo deste ano, um estudo foi publicado (Ref.2) mostrando a criação de organismos vivos geneticamente modificados com o editor genético CRISPR-Cas9 (2) - no caso, a bactéria Escherichia coli foi o alvo - que conseguiam continuar se reproduzindo de forma robusta com duas letras inéditas incorporadas ao seu código genético - os nucleotídeos X e Y. Em testes laboratoriais, após se dividirem mais de 60 vezes, as bactérias modificadas conseguiram manter os nucleotídeos "alienígenas" no seu material genético (DNA). Antes desse feito, apenas as clássicas quatro letras (A, G, C e T) eram conhecidas de atuarem de forma eficiente nos seres vivos.

         Tendo esse fantástico resultado em mãos, o mesmo time de pesquisa, liderado pelo químico Floyd Romesberg do Instituto de Pesquisa Scripps, em La Jolla, Califórnia, resolveu ir além. Eles incorporaram dois tipos de novos nucleotídeos (um par) no DNA das bactérias E. coli, fazendo com que suas células, então, passassem a usar o novo alfabeto - agora composto por 6 letras - para inserir aminoácidos não naturais em uma proteína fluorescente!

   PROGRESSO

          Nas últimas duas décadas, o time de Romesberg fez centenas de moléculas de DNA modificadas, em algo primeiro iniciado pelo químico Steven Benner em 1989 - na época no Instituto Federal Sueco de Tecnologia, Zurich - ao sintetizarem moléculas de DNA contendo formas modificadas de citosina e guanina. Nesse início, as moléculas modificadas - apelidadas de 'Funny DNA' - podiam se replicar e produzir RNA e proteínas em tubos reacionais, ou seja, apenas fora de organismos vivos.



          As várias novas moléculas modificadas de DNA produzidas por Romesberg, ao contrário daquelas de Benner e das tradicionais em seres vivos, possuem seus pares "alienígenas" de nucleotídios mantidos juntos devido às suas insolubilidades em meio aquoso, similar como o óleo fica unido em gotas quando misturado em água. Ou seja, essas novas moléculas de nucleotídeos sendo testadas ficavam unidas em pares através de uma maior predominância das forças de Van Der Walls - ligação intermolecular entre moléculas com caráter menos polar. Já os nucleotídeos tradicionais ficam unidos devido à ligações de hidrogênio - ligação intermolecular que ocorre entre hidrogênio e átomos muito eletronegativos (O, N, e F).

          De qualquer forma, para funcionar em células vivas, as bases "alienígenas" precisam entrar em parceria com as bases naturais sem perturbar o formato do DNA ou atrapalhar tarefas essenciais, como os processos de duplicação e transcriação. Em 2014, Romesberg reportou um grande avanço: uma cepa de E. coli, com um pedaço de DNA contendo um único, não-natural, par de bases. O DNA "alienígena" foi feito de compostos químicos chamados de dNaM e d5SICS (apelidados de X e Y, respectivamente). Mas as células contendo essas estranhas bases se dividiam com muita dificuldade, além de tenderem a perder seu DNA 'alienígena' com o tempo.

           Então, veio um novo grande avanço, com o já mencionado trabalho publicado no começo deste ano reportando a inserção das bases X e Y no E. coli de forma mais estável e duradoura ao longo das replicações celulares. Nesse caso, a base Y agora representava o composto químico chamado de dTPT3, em substituição ao d5SICS. Porém, ainda algo importante faltava: as células da bactéria ainda não conseguiam usar essas novas letras para produzir códons e, dessa forma, possibilitar a utilização de aminoácidos para a criação de proteínas.




   CONQUISTA

          Agora, em um novo trabalho publicado no final de Novembro na Nature, o time de Romesberg conseguiu criar células saudáveis de E. coli que puderam finalmente utilizar seu novo DNA alienígen. Em experimentos separados, as células incorporaram dois aminoácidos (chamados de PrK e pAzF) em uma proteína que emite um brilho verde - Green Fluorescent Protein (GFP). Tanto as bases X e Y quanto os aminoácidos foram dados de alimento para as células, e, para permitir que estas utilizassem os novos componentes, os pesquisadores criaram versões modificadas de tRNA, permitindo a leitura dos novos códons e transporte dos aminoácidos para os ribossomos. Agora, as possibilidades pulam de 64 códons para 216 códons (63)!





           Com os novos aminoácidos incorporados à proteína fluorescente a partir do maquinário genético alienígena, ficou demonstrado agora que os cientistas podem armazenar e recuperar informações no DNA de organismos semi-sintéticos, possibilitando a criação teórica de inúmeras novas proteínas que antes não eram possíveis de serem criadas pelos seres vivos, além de ser possível a criação de estruturas genéticas variadas de interesse, inclusive em escala industrial. Em um trabalho ainda não publicado, o time de pesquisa reportou que conseguiu inserir um par dessas novas bases em local chave do gene implicado com a resistência a antibiótico. Bactérias que possuem esse DNA 'alienígena' herdado de células modificadas se tornam sensitivas à drogas relacionadas com a penicilina, algo que pode levar a uma inovativa estratégia de combate à crescente crise de resistência bacteriana.


- Continua após o anúncio -



          O próximo passo é conseguir incorporar essas novas letras em grandes extensões do código genético, deixando com um aspecto cada vez mais sintético e moldável. Ao mesmo tempo, os cientistas querem também outras letras mais estáveis para serem incorporadas com ainda mais eficiência. E passos futuros certamente serão a criação de organismos totalmente sintéticos e moldados à vontade humana em todos os seus aspectos.

         Segundo um dos autores do estudo esses novo avanço dado é como se uma criança estivesse há anos tentando entrar em um loja de doces e, quando finalmente consegue, e fica livre para fazer o que quiser, acaba perdida em meio a tantas possibilidades.

           E isso tudo reforça ainda mais que a vida não é assim tão 'especial': basta termos uma química favorável para que ela encontre o seu caminho.

(1) Tire todas as suas dúvidas sobre Evolução Biológica no artigo: A Evolução Biológica é um FATO

(2) Para saber mais sobre essa tecnologia de edição genética que está revolucionando a Ciência, acesse o artigo: CRISPR-Cas9: O poder da edição genética!


Artigos Recomendados:


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://www.nature.com/articles/nature24659.epdf
  2. http://www.pnas.org/content/114/6/1317
  3. http://www.nature.com/news/alien-dna-makes-proteins-in-living-cells-for-the-first-time-1.23040
  4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21950/
  5. Lehninger Principles of Biochemistry, 6th Edition 
  6. https://publications.nigms.nih.gov/insidelifescience/genetics-numbers.html
  7. https://www.genome.gov/glossary/index.cfm?id=70
  8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21603/
  9. https://www.umassmed.edu/rti/biology/role-of-rna-in-biology/role-of-rna-protein-in-synthesis/
  10. https://www.genome.gov/pages/education/modules/blueprinttoyou/blueprintinsideback.pdf
  11. http://www.ecdoe.gov.za/documents/learners/self-study-guides/life-sciences-gr12.pdf
  12. https://www.genome.gov/12011238/an-overview-of-the-human-genome-project/