O hardware dos computadores modernos está ficando um pouco mais suave. Uma equipe de pesquisa, através da engenharia genética, reprogramou o DNA de células de mamíferos para realizar cálculos complexos, transformando as células em biocomputadores.
O grupo ainda não colocou essas células modificadas para funcionar de forma útil, mas os pesquisadores esperam que as novas técnicas de programação ajudem a melhorar tudo, desde tratamentos de câncer até os tecidos sob demanda que podem substituir partes do corpo gastas.
Células funcionando como minicomputadores não é uma coisa nova. Como parte do crescente campo da biologia sintética, equipes de pesquisa em todo o mundo têm vindo a manipular DNA de vários organismos durante muitos anos para fazer as células realizarem ações simples, como ‘acender’ quando os níveis de oxigênio caem. Até agora, a maioria dessas experiências foram feitas com a Escherichia coli e outras bactérias, porque seus genes são relativamente fáceis de manipular. Os pesquisadores também conseguiram ligar vários circuitos genéticos juntos dentro de uma única célula para realizar cálculos mais complexos em bactérias.
Os cientistas têm tentado estender isso às células de mamíferos para criar circuitos genéticos que podem ajudar a detectar e tratar doenças humanas.
Mas os esforços para construir grandes circuitos genéticos em células de mamíferos têm falhado muito: Para que os circuitos complexos funcionem, os componentes individuais – ligar e desligar genes diferentes – devem acontecer de forma consistente. A maneira mais comum de ativar ou desativar um gene é usando proteínas chamadas fatores de transcrição que se ligam e regulam a expressão de um gene específico. O problema é que esses fatores de transcrição “se comportam de maneira ligeiramente diferente”, diz Wilson Wong, um biólogo sintético da Universidade de Boston.
Para melhorar seus “interruptores” de DNA, Wong e seus colegas evitaram os fatores de transcrição e, em vez disso, trocaram genes de células renais humanas usando enzimas semelhantes a tesouras que seletivamente cortavam fragmentos de DNA. Essas enzimas, conhecidas como DNA recombinase, reconhecem dois trechos alvo de DNA, cada um com 30 a 50 ou mais pares de bases de comprimento. Quando uma recombinase encontra seu trecho de DNA alvo, ela o remove e posteriormente une as extremidades cortadas da dupla hélice.
Para desenhar circuitos genéticos, Wong e seus colegas usam a maquinaria celular convencional que lê o DNA de uma célula, transcreve seus genes em RNA, e então traduz o RNA em proteínas. Esta operação normal do gene para a proteína é iniciada por outro fragmento de DNA, um promotor, ligado a um gene. Quando um promotor é ativado, uma molécula chamada RNA polimerase começa a trabalhar, produzindo RNA.
Para fazer um de seus circuitos mais simples, a equipe de Wong inseriu quatro trechos extras de DNA depois de um promotor. O principal trecho produziu a Proteína Fluorescente Verde (GFP, do inglês), que ilumina as células quando é produzida. Mas na frente dela estava uma seqüência de terminação, flanqueada por dois trechos que sinalizavam a recombinase do DNA. Wong e sua equipe, em seguida, inseriu outro gene na mesma célula que fez uma recombinase modificada, ativado apenas quando ligado a um medicamento específico – sem ela, a recombinase não cortaria o DNA.
Quando o promotor a montante do gene GFP foi ativado, a RNA polimerase dirigiu-se primeiro para a sequência de terminação, parou de ler o DNA e não produziu a proteína fluorescente. Mas quando o fármaco foi adicionado, a recombinase foi ativada e iniciou a sequência de terminação que estava impedindo a RNA polimerase de iniciar a produção de GFP. E assim, a célula acendeu!
Wong e seus colegas também mostraram que, adicionando recombinases adicionais junto com diferentes cadeias alvo, eles poderiam construir uma ampla variedade de circuitos, cada um projetado para realizar uma operação lógica diferente.
A abordagem funcionou tão bem que a equipe construiu 113 circuitos diferentes, com uma taxa de sucesso de 96,5%, conforme relataram Nature Biotechnology.
Como uma demonstração adicional, eles criaram células humanas para produzir uma versão biológica de algo chamado “tabela de pesquisa de lógica booleana”. O circuito, neste caso, tem seis entradas diferentes, que podem combinar de diferentes maneiras para executar uma de 16 diferentes operações lógicas.
“É emocionante, pois representa outra escala na qual podemos projetar circuitos genéticos em mamíferos”, diz Timothy Lu, biólogo sintético do Massachusetts Institute of Technology, em Cambridge.
Embora os circuitos atuais sejam uma prova de conceito, Lu e Wong dizem que os biólogos sintéticos querem usá-los para criar novas terapias médicas. Por exemplo, cientistas podem desenvolver células T, sentinelas do sistema imunológico, com circuitos genéticos que iniciam uma resposta para eliminar tumores quando detectam a presença de dois ou três “biomarcadores” produzidos por células cancerosas, diz Lu. Outro exemplo que está sendo explorado por Wong e outros é a engenharia de células-tronco para que se desenvolvam em tipos de células específicas quando solicitado por sinais diferentes. Isso poderia permitir que os biólogos sintéticos gerassem tecidos sob demanda, como as células β produtoras de insulina.
