Cientistas criam cromossomo 100% sintético

Uma equipe global de pesquisadores construiu cinco novos cromossomos sintéticos de leveduras, o que significa que 30% do material genético de um organismo chave foi trocado por substitutos artificiais. Essa é uma entre várias descobertas que fazem parte de um pacote de sete artigos a serem publicados em 10 de março de 2017 como capa da Science.

cromossomos sintéticos de leveduras
Cromossomos sintéticos de leveduras

Lideradas pelo geneticista Jef Boeke – do centro Langone da Universidade de Nova Iorque (NYU Langone) – e uma equipe de mais de 200 autores, as publicações são as mais recentes vindas do Projeto Fermento Sintético (Sc2.0). Ao final do ano, o consórcio internacional espera ter projetado e construído um microrganismo vivo e unicelular, o fermento de fermento biológico (S. cerevisiae), no qual todos os 16 cromossomos – estruturas que contêm DNA – são sintéticos.

Como programadores de computador, cientistas adicionam faixas de DNA – ou removem pedaços – a cromossomos de humanos, plantas, bactérias e leveduras, na esperança de evitar doenças, fabricar medicamentos ou fazer comidas mais nutritivas. O fermento biológico há muito tempo serve como um importante modelo de pesquisa, pois suas células compartilham muitas características com as humanas, mas são mais simples e fáceis de serem estudadas.

Cinco novos cromossomos sintéticos abrem caminho para o primeiro genoma artificial
Cinco novos cromossomos sintéticos abrem caminho para o primeiro genoma artificial

“Este trabalho prepara o palco para a conclusão de genomas projetados e sintéticos que resolvam necessidades não satisfeitas na medicina e na indústria”, diz Boeke, diretor do Instituto de Genética de Sistemas da NYU Langone. “Além de qualquer aplicação, os estudos confirmam que sistemas e softwares recentemente criados podem responder questões básicas sobre a natureza da maquinaria genética, reprogramando os cromossomos de células vivas”.

Em março de 2014, o Sc2.0 construiu com sucesso o primeiro cromossomo sintético de levedura (cromossomo sintético 3 ou synIII) composto de 272.871 pares de base, as unidades químicas que compõem o código de DNA. A nova leva de estudos consiste em uma visão geral e cinco artigos descrevendo a primeira montagem de cromossomos sintéticos synII, synVI, synX e synXII de levedura. Um sétimo estudo fornece uma primeira visão das estruturas 3D dos cromossomos sintéticos no núcleo celular.

Projeto de Escrita do Genoma visa sintetizar séries completas de cromossomos (genomas) de humanos e vegetais
Projeto de Escrita do Genoma visa sintetizar séries completas de cromossomos (genomas) de humanos e vegetais

Muitas tecnologias desenvolvidas no Sc2.0 servem como base para o Projeto de Escrita do Genoma (GP-write, na sigla em inglês), uma iniciativa relacionada que visa sintetizar séries completas de cromossomos (genomas) de humanos e vegetais nos próximos dez anos. O GP-write teve seu encontro na cidade de Nova Iorque hoje dia 9 de maio de 2017.

Produção global

Para começar a sintetizar um cromossomo de levedura, pesquisadores precisam primeiro projetar milhares de alterações. Algumas permitem aos pesquisadores mover pedaços de cromossomos, simulando um processo evolutivo rápido e de alta potência. Outras alterações removem pedaços do código de DNA que estudos anteriores revelaram que dificilmente teriam alguma função. Desta forma, bibliotecas de cepas alteradas de levedura podem ser analisadas, em busca daquelas que possuam as características mais úteis.

Com as alterações feitas, a equipe começa a montar sequências de DNA editado e sintético em pedaços cada vez maiores, que são finalmente introduzidos em células de levedura. Uma vez lá dentro, a maquinaria celular termina de construir o cromossomo. Uma grande inovação apresentada no lote de artigos envolve esse último passo.

A montagem de cromossomos sintéticos completos será possível em alguns anos.
A montagem de cromossomos sintéticos completos será possível em alguns anos.

Antes, os pesquisadores precisavam terminar de construir um pedaço do cromossomo antes de poder começar a trabalhar no próximo. As rotinas do processo de sequenciamento são “gargalos”, diz Boeke, o que torna o processo lento e aumenta os custos. Os atuais artigos possuem diversos esforços para “paralelizar” a montagem de cromossomos sintéticos.

Laboratórios ao redor do mundo sintetizaram diferentes pedaços em cepas de levedura que eram, então, cruzadas para produzir rapidamente leveduras prósperas, com um cromossomo inteiramente sintético e, em alguns casos, com mais de um. Um estudo liderado por Leslie Mitchell, do laboratório de Boeke na NYU Langone, descreveu a construção de uma cepa contendo três cromossomos sintéticos.

“Etapas podem ser cumpridas ao mesmo tempo em vários locais e, no final, integradas, assim como laptops de rede que criam um supercomputador global”, diz Mitchell.

Equipes construíram fragmentos do cromossomo sintético XII (synXII)
Equipes construíram fragmentos do cromossomo sintético XII (synXII)

No processo, a equipe global aprimorou uma série de inovações e conseguiu entender melhor a biologia da levedura. Uma equipe na Universidade Tsinghua, por exemplo, liderou um esforço no qual seis equipes construíram fragmentos do cromossomo sintético XII (synXII), que depois foram integrados em uma molécula final com mais de um milhão de pares de bases (uma megabase). Esse cromossomo sintético, o maior até hoje, é apenas 1/3000 do que seria preciso para construir uma molécula do genoma humano, então ainda será necessário desenvolver novas técnicas com este objetivo.

Além disso, experimentos demonstraram que mudanças drásticas podem ser feitas em genomas de levedura sem matá-los, diz Boeke. Cepas de levedura, por exemplo, sobreviveram a experiências nas quais seções do código de DNA eram transferidas de um cromossomo para outro, ou até trocadas entre espécies de leveduras, com pouco efeito. Organismos geneticamente flexíveis (plásticos) fazem uma boa plataforma para a engenharia que talvez seja necessária para aplicações futuras.

Fonte: NYU Langone Medical Center – New York