O Projeto Genoma Sintético da Levedura, que envolveu um consórcio global com mais de 200 pesquisadores de 10 instituições científicas ao redor do mundo, redesenhou e sintetizou quimicamente, pela primeira vez, a partir do zero, todos os 16 cromossomos da levedura de pão — um fungo unicelular que age como fermento biológico na culinária. O trabalho que levou uma década para construir o primeiro genoma eucariótico artificial do mundo, foi publicado ontem na revista Nature Biotechnology.
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Para os pesquisadores, os mecanismos utilizados para conseguir criar um genoma do zero podem acelerar o desenvolvimento da próxima geração de organismos geneticamente modificados. Segundo eles, poderão surgir desde culturas resistentes às mudanças climáticas até fábricas de células personalizadas. "Reunimos uma visão geral abrangente da literatura sobre como construir uma forma de vida, onde analisamos o que deu certo, mas também o que deu errado", afirma a autora principal do artigo e estudante de pós-doutorado na Escola de Ciências Naturais da Universidade Macquarie, na Austrália, Paige Erpf.
O processo para cada cromossomo seguiu os mesmos princípios. O trabalho incluiu a remoção de elementos genéticos instáveis, introdução de "marcas d'água" moleculares para distinguir o DNA sintético das sequências naturais e adição do sistema de recombinação genética SCRaMbLE para que os pesquisadores pudessem reorganizar os genes e testar suas funções.
Diferente da engenharia genética tradicional, que modifica genomas existentes, o Sc2.0 foi o primeiro a reescrever o material inteiro do zero, considerando os 12 milhões de pares de bases do DNA. "Concluir todos os 16 cromossomos sintéticos nos permite entender a função do genoma em uma escala que era simplesmente impossível antes", frisa Ian Paulsen, diretor do Centro de Excelência em Biologia Sintética da ARC, em Macquarie.
Caminho traçado
Os cromossomos foram montados em grandes blocos contendo milhares de pares de bases e, em seguida, integrados passo a passo em células de levedura vivas, contando com a própria maquinaria do fungo para unir as partes sintéticas no lugar certo. Apesar de usarem princípios de design padronizados, todas as equipes de pesquisa encontraram problemas semelhantes. O artigo catalogou esses "bugs" sistematicamente, dando dicas aos biólogos do que evitar no futuro.
Pequenas marcas d'água de DNA, projetadas para serem silenciosas, interrompiam eventualmente a função gênica. Alguns genes sinalizados inicialmente como não essenciais acabaram causando problemas significativos de crescimento quando removidos. As leveduras não conseguem regenerar material genético mitocondrial do zero, portanto, qualquer dano exigiu que os pesquisadores realizassem uma operação de resgate para identificar e corrigir o problema. Em seguida, reintroduziram mitocôndrias saudáveis por meio de cruzamentos cuidadosos.
Conforme Eduardo Paradela, biólogo molecular e doutor em neurociências, e Andre Smarta, biólogo e mestre em biofísica molecular, as técnicas usadas pelos pesquisadores representam um avanço crucial no diagnóstico rápido de falhas genômicas. "Em outros projetos, essas abordagens podem ser aplicadas para mapear rapidamente variantes disfuncionais em populações editadas ou sintéticas. Identificar interações não previstas, especialmente em organismos com genomas maiores ou com redes mais complexas. Validar bibliotecas de edição multiplexada, garantindo que combinações específicas de mutações não gerem problemas. Além de testar racionalmente desenhos de cromossomos sintéticos, permitindo localizar regiões incompatíveis ou instáveis antes da integração completa."
Segundo Hugh Goold, um dos líderes da pesquisa, os principais desafios foram tanto psicológicos quanto técnicos. "A longa duração de um projeto de uma década, onde o progresso podia parecer dolorosamente lento, e a dificuldade de trabalhar com células inadequadas e difíceis de cultivar", explicou.
O doutor em biologia e professor da Universidade Católica de Brasília (UCB) Octávio Luiz Franco destaca algumas implicações biológicas importantes que precisam ser consideradas nesse processo. "Por exemplo, o que chamamos de carga metabólica, quanto mais DNA para replicar, produzir e traduzir, há mais consumo extra de energia. Quando você muda o genoma, ele é 'aumentado' de certa forma, assim como a carga de energia para poder funcionar também é elevada. Isso pode causar instabilidade genômica, ou seja, o DNA pode apresentar recombinações desejadas, ou então fragmentar."
A próxima geração
O que foi aprendido com a recriação do material genético das leveduras está orientando novos projetos. Uma equipe de pesquisa da Macquarie, liderada por Briardo Lorente e Ian Paulsen, iniciou recentemente o trabalho de construção do primeiro cromossomo sintético de plantação do mundo. Segundo os cientistas, as plantas crescem lentamente e são muito mais difíceis de manipular do que as leveduras, por isso o projeto utiliza uma abordagem diferente. Primeiro, eles querem construir os cromossomos sintéticos dos vegetais dentro das células dos fungos e, em seguida, transferir o cromossomo recém-construído para as estruturas das ervas.
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Complexidade no trabalho
Charlotte Cesty Borda de Saenz, coordenadora do curso de biomedicina do Centro Universitário FMU, em São Paulo
Essa pesquisa, especialmente na construção de cromossomos inteiros, revela a flexibilidade da manipulação gênica e os grandes mistérios da biologia molecular, sobretudo no que diz respeito à interação entre genoma, proteínas e processos celulares. Essa ciência é marcada por uma incrível redundância e interconexão entre os componentes genéticos. Isso demonstra a robustez do sistema biológico, mas também a dificuldade de compreender completamente todos os seus elementos, já que pequenas alterações podem gerar grandes efeitos inesperados. Estudos revelam que um dos principais desafios da biologia molecular é entender como os genes são regulados. O DNA sintético permite testar como diferentes reguladores interagem para determinar o comportamento celular. Isso evidencia a complexidade da epigenética.
Isabella Almeida
RepórterGoiana, mora em Brasília desde 2018. Formada em jornalismo pela Universidade de Brasília (UnB). Especialista em publicações de saúde e ciência.