A capacidade de manipular os genes de organismos vivos tem se expandido dramaticamente nos últimos anos. Agora, os pesquisadores estão um passo mais perto de construir genomas do zero, após a revelação de uma cepa de levedura com mais de 50% de DNA sintético.

Desde 2006, um consórcio internacional de pesquisadores chamado Synthetic Yeast Genome Project (Projeto do Genoma Sintético de Levedura, em tradução livre) tem tentado reescrever todo o genoma da levedura de cerveja. O organismo é um alvo atrativo por ser um eucarioto, assim como nós, e também é amplamente utilizado na indústria de biotecnologia para produzir biocombustíveis, produtos farmacêuticos e outros produtos químicos de alto valor.

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Enquanto os pesquisadores já reescreveram genomas de vírus e bactérias anteriormente, a levedura é mais desafiadora devido ao seu DNA estar dividido em 16 cromossomos. Para acelerar o progresso, os grupos de pesquisa envolvidos concentraram-se em reescrever cada cromossomo separadamente antes de tentar combiná-los.

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A equipe agora conseguiu sintetizar novas versões de todos os 16 cromossomos e criou um cromossomo totalmente novo. Em uma série de artigos nas revistas científicas Cell e Cell Genomics, a equipe também relata a bem-sucedida combinação de sete desses cromossomos sintéticos, além de um fragmento de outro, em uma única célula. Ao todo, eles representam mais de 50% do DNA da célula.

Nossa motivação é entender os princípios fundamentais do genoma, construindo genomas sintéticos. A equipe reescreveu o sistema operacional da levedura em brotamento, abrindo uma nova era na biologia de engenharia — passando de ajustar um punhado de genes para o design e construção de genomas inteiros.

Patrick Yizhi Cai, da Universidade de Manchester em comunicado à imprensa

Os cromossomos sintéticos são notavelmente diferentes dos da levedura normal. Os pesquisadores removeram quantidades consideráveis de “DNA lixo” que é repetitivo e não codifica proteínas específicas. Em particular, eles cortaram trechos de DNA conhecidos como transpósons, que podem naturalmente recombinar de maneiras imprevisíveis, para melhorar a estabilidade do genoma.

Eles também separaram todos os genes que codificam o RNA de transferência em um novo 17º genoma completamente novo. Essas moléculas transportam aminoácidos para os ribossomos, as fábricas de proteínas da célula.

Patrick Yizhi Cai, coautor do estudo, disse à Science que as moléculas de tRNA são “pontos quentes de danos ao DNA”. O grupo espera que, ao separá-las e alojá-las em um chamado “tRNA neocromossomo”, seja mais fácil mantê-las sob controle. “O tRNA neocromossomo é o primeiro cromossomo sintético completamente de novo do mundo. Nada parecido existe na natureza”, diz ele.

Outra alteração significativa pode acelerar os esforços para encontrar novas cepas úteis de levedura. A equipe incorporou um sistema chamado SCRaMbLE no genoma, possibilitando rearranjar rapidamente genes dentro dos cromossomos. Esse “sistema de evolução induzida” permite que as células percorram rapidamente potencialmente novos genomas interessantes.

“É como embaralhar um baralho de cartas”, diz o coautor Jef Boeke, da New York University Langone Health, à New Scientist. “O sistema de embaralhamento é essencialmente uma evolução em hiper velocidade, mas podemos ligar e desligar.”

Processo de “depuração”

  • Para colocar vários dos cromossomos modificados na mesma célula de levedura, a equipe de Boeke realizou um extenso programa de cruzamento, acasalando células com diferentes combinações de genomas.
  • Em cada etapa, houve um extenso processo de “depuração”, à medida que os cromossomos sintéticos interagiam de maneiras imprevisíveis.
  • Usando essa abordagem, a equipe incorporou seis cromossomos completos e parte de outro em uma célula que sobreviveu e cresceu.
  • Eles desenvolveram então um método chamado substituição de cromossomos para transferir o maior cromossomo de levedura de um doador, elevando o total para sete e meio e aumentando a quantidade total de DNA sintético para mais de 50%.
  • Colocar todos os 17 cromossomos sintéticos em uma única célula exigirá trabalho considerável, mas chegar aos 50% é uma conquista significativa.
  • E se a equipe conseguir criar levedura com um genoma totalmente sintético, marcará uma mudança fundamental em nossa capacidade de manipular o código da vida.

Gosto de chamar isso de fim do começo, não o começo do fim, porque é quando realmente vamos poder começar a embaralhar esse baralho e produzir levedura que pode fazer coisas que nunca vimos antes.

Jef Boeke, da New York University Langone Health, em comunicado à imprensa