Biólogos sintéticos de Yale conseguiram reescrever o código genético de um organismo – um novo organismo genomicamente recodificado (GRO) com um códon de parada – usando uma plataforma celular que eles desenvolveram, permitindo a produção de novas classes de proteínas sintéticas. Essas proteínas sintéticas, dizem os pesquisadores, oferecem inúmeras aplicações médicas e industriais que podem beneficiar a sociedade e a saúde humana.
A criação do GRO inovador, conhecido como “Ochre”, que comprime códons redundantes ou “degenerados” inteiramente em um único códon, é descrita em um novo estudo publicado em 5 de fevereiro na revista Nature. Um códon é uma sequência de três nucleotídeos no DNA ou RNA que codifica um aminoácido específico, que serve como um bloco de construção bioquímico para proteínas.
“Esta pesquisa nos permite fazer perguntas fundamentais sobre a maleabilidade dos códigos genéticos”, disse Farren Isaacs, professor de biologia molecular, celular e de desenvolvimento na Yale School of Medicine e de engenharia biomédica na Yale Faculty of Arts and Sciences, coautor do estudo. “Também demonstra a capacidade de alterar o código genético para equipar proteínas com multifuncionalidade, inaugurando uma nova era de biofarmacêuticos e biomateriais programáveis.”
Este avanço inovador se baseia em um estudo de 2013 da equipe, publicado na Science, que descreveu a construção do primeiro GRO. Nesse estudo, os pesquisadores demonstraram novas soluções para proteger organismos geneticamente modificados e para criar novas classes de proteínas sintéticas e biomateriais usando produtos químicos “não naturais”, ou seja, criados pelo homem.
Ochre é um passo importante em direção à criação de um código genético não redundante, especialmente em E. coli, que é ideal para a produção de proteínas sintéticas contendo múltiplos aminoácidos sintéticos distintos.
Jesse Rinehart, professor associado de fisiologia celular e molecular na Yale School of Medicine e coautor do estudo, chamou o avanço de “um passo profundo na engenharia genômica, que se baseia em mais de 1.000 alterações precisas em uma escala que supera em muito qualquer feito de engenharia que realizamos anteriormente.”
“Esta é uma nova e empolgante tecnologia de plataforma que abre uma série de oportunidades de aplicação para a biotecnologia, tanto no meio acadêmico quanto no comercial”, disse Rinehart. “Queremos expandir nosso conhecimento geral da ciência, mas também queremos permitir aplicações industriais que beneficiem a sociedade.”
O códon, uma sequência de três nucleotídeos no DNA ou RNA, funciona como um "manual de instruções" para a síntese de proteínas. Ele diz à célula qual dos 20 aminoácidos naturais deve ser adicionado a uma cadeia de proteína em crescimento (ou, no caso de códons de "parada", sinaliza o fim da síntese de proteínas). Nesse processo, chamado de tradução, a informação genética contida em um RNA mensageiro (mRNA), por meio do código genético, determina não apenas a sequência de aminoácidos, mas também quando o processo deve começar e terminar.
Michael Grome, pós-doutorando em biologia molecular, celular e de desenvolvimento em Yale e primeiro autor do estudo, comparou códons a palavras de três letras em uma frase na receita genética da vida. Na célula, disse ele, existem ribossomos que funcionam como impressoras 3D, lendo a receita. Cada palavra requer um "ingrediente" – um aminoácido da lista dos 20 aminoácidos naturais que compõem as proteínas.
"Muitas dessas palavras são equivalentes ou sinônimas", disse Grome. "Queríamos adicionar mais ingredientes para a construção de proteínas, então pegamos três dessas palavras de 'parada' e as transformamos em uma. Duas palavras foram removidas, e então nós redesenhamos a célula para que elas ficassem 'livres' para novas funções. Em seguida, construímos uma célula que reconheceu a palavra para dizer algo novo, para representar um novo ingrediente".
Especificamente, os pesquisadores eliminaram dois dos três códons de parada que encerram a produção de proteínas. O genoma recodificado atribuiu quatro códons a funções não degeneradas, incluindo os dois códons de parada recodificados que servem para codificar aminoácidos não padrão ou não naturais em proteínas. Além de introduzir milhares de alterações precisas em todo o genoma, o trabalho exigiu um projeto guiado por IA e a reconstrução de fatores essenciais de tradução de proteínas e RNA para criar uma cepa capaz de incorporar dois aminoácidos não padrão em seu livro de receitas. Esses aminoácidos não padrão conferem às proteínas inúmeras novas propriedades, como produtos biológicos programáveis com imunogenicidade reduzida (a capacidade de uma substância de desencadear uma resposta imune no corpo) ou biomateriais com condutividade aprimorada.
Os resultados refletem anos de trabalho dos dois laboratórios no Yale Systems Biology Institute, no West Campus. A colaboração entre Rinehart e Isaacs começou em 2010, quando começaram a trabalhar em laboratórios vizinhos. Isaacs tem um interesse de longa data na manipulação de genomas – semelhante a como um arquiteto projeta e altera um edifício, diz ele. O trabalho de Rinehart se concentra em proteínas – como elas são feitas e como criar as condições para que elas realizem outras ações.
"Percebemos que nossas áreas de especialização se complementavam e que ambos os laboratórios traziam um amplo espectro de conhecimentos e habilidades", disse Rinehart.
Isaacs está entusiasmado com o que ele chama de aplicações potencialmente "matadoras" para produtos biológicos de proteínas programáveis que a nova plataforma permitirá. Uma dessas aplicações envolve o desenvolvimento de medicamentos proteicos com produtos químicos sintéticos para reduzir a frequência de dosagem ou reações imunológicas indesejadas. A equipe relatou uma aplicação desse tipo em um estudo de 2022 usando seu GRO de primeira geração. Nesse estudo, eles codificaram aminoácidos não naturais em proteínas, demonstrando uma abordagem mais segura e controlável para ajustar com precisão a meia-vida dos produtos biológicos de proteínas.
A nova célula Ochre expande essas capacidades para uso na fabricação de produtos biológicos multifuncionais. Isaacs e Rinehart atualmente atuam como consultores da Pear Bio, uma spin-off de biotecnologia de Yale que licenciou a tecnologia para a comercialização de produtos biológicos programáveis.
Outros pesquisadores de Yale envolvidos no estudo incluem Michael Nguyen, Daniel Moonan, Kyle Mohler, Kebron Gurara, Shenqi Wang, Colin Hemez, Benjamin Stenton, Yunteng Cao, Felix Radford, Maya Kornaj, Jaymin Patel, Maisha Prome, Svetlana Rogulina, David Sozanski e Jesse Tordoff.
Créditos
Yale University Michael S Helfenbein
