A biologia sintética já está reescrevendo a vida.

No final de 2023, cientistas células de levedura reveladas com metade do seu modelo genético substituído por DNA artificial. Foi um momento de “divisor de águas” numa Projeto de 18 anos para projetar versões alternativas de cada cromossomo de levedura. Apesar de terem sete cromossomos e meio sintéticos, as células se reproduziram e prosperaram.

Um novo estudo nos leva a subir a escada evolutiva até as plantas projetadas.

Para um projeto chamado SynMoss, uma equipe na China redesenhou parte de um único cromossomo em um tipo de musgo. A planta parcialmente sintética resultante cresceu normalmente e produziu esporos, tornando-a um dos primeiros seres vivos com múltiplas células a carregar um cromossomo parcialmente artificial.

As alterações personalizadas nos cromossomos da planta são relativamente pequenas em comparação com a levedura sintética. Mas é um passo no sentido de redesenhar completamente os genomas em organismos de nível superior.

Em uma entrevista com Ciência, o biólogo sintético Dr. Tom Ellis, do Imperial College London, disse que é um “alerta para as pessoas que pensam que os genomas sintéticos são apenas para micróbios”.

Atualizando a vida

Os esforços para reescrever a vida não servem apenas para satisfazer a curiosidade científica.

Mexer no DNA pode nos ajudar a decifrar a história evolutiva e identificar trechos críticos do DNA que mantêm os cromossomos estáveis ​​ou causam doenças. As experiências também poderão ajudar-nos a compreender melhor a “matéria escura” do ADN. Espalhadas por todo o genoma, sequências misteriosas que não codificam proteínas há muito tempo confundem os cientistas: são úteis ou apenas remanescentes da evolução?

Os organismos sintéticos também facilitam a engenharia de seres vivos. Bactérias e leveduras, por exemplo, já são usadas para fabricar cerveja e produzir medicamentos que salvam vidas, como a insulina. Ao adicionar, trocar ou excluir partes do genoma, é possível dar novas capacidades a essas células.

Em um estudo recente, por exemplo, os pesquisadores reprogramaram bactérias para sintetizar proteínas usando blocos de construção de aminoácidos não vistos na natureza. Noutra No estudo, uma equipe transformou bactérias em Exterminadores mastigadores de plástico que reciclam resíduos plásticos em materiais úteis.

Embora impressionantes, as bactérias são feitas de células diferentes das nossas – o seu material genético flutua, tornando-as potencialmente mais fáceis de religar.

A Projeto de Levedura Sintética foi um avanço. Ao contrário das bactérias, a levedura é uma célula eucariótica. Plantas, animais e humanos se enquadram nesta categoria. Nosso DNA é protegido dentro de uma bolha semelhante a uma noz chamada núcleo, tornando mais difícil o ajuste para os biólogos sintéticos.

E no que diz respeito aos eucariontes, as plantas são mais difíceis de manipular do que a levedura – um organismo unicelular – pois contêm vários tipos de células que coordenam o crescimento e a reprodução. As alterações cromossômicas podem ocorrer de maneira diferente dependendo de como cada célula funciona e, por sua vez, afetar a saúde da planta.

“A síntese do genoma em organismos multicelulares permanece um território desconhecido”, escreveu a equipe em seu artigo.

Lento e Firme

Em vez de construir um genoma totalmente novo do zero, a equipe mexeu no genoma do musgo existente.

Esta penugem verde foi extensivamente estudada em laboratório. Uma análise inicial do genoma do musgo descobriu que ele tem 35,000 mil genes potenciais – surpreendentemente complexos para uma planta. Todos os 26 cromossomos foram completamente sequenciados.

Por esta razão, a planta é um “modelo amplamente utilizado em estudos de desenvolvimento evolutivo e de biologia celular”, escreveu a equipe.

Os genes do musgo se adaptam prontamente às mudanças ambientais, especialmente aquelas que reparam os danos ao DNA causados ​​pela luz solar. Em comparação com outras plantas – como o agrião, outro modelo preferido pelos biólogos – o musgo tem a capacidade incorporada de tolerar grandes alterações no ADN e de se regenerar mais rapidamente. Ambos os aspectos são “essenciais” na hora de reescrever o genoma, explicou a equipe.

Outra vantagem? O musgo pode crescer e se tornar uma planta completa a partir de uma única célula. Esta capacidade é um cenário de sonho para os biólogos sintéticos porque a alteração de genes ou cromossomas em apenas uma célula pode potencialmente alterar um organismo inteiro.

Tal como os nossos, os cromossomas das plantas parecem um “X” com dois braços cruzados. Para este estudo, a equipe decidiu reescrever o braço cromossômico mais curto da planta – o cromossomo 18. Ainda era um projeto gigantesco. Anteriormente, a maior substituição era de apenas cerca de 5,000 letras de DNA; o novo estudo precisava substituir mais de 68,000 cartas.

Substituir sequências naturais de DNA por “grandes fragmentos sintéticos redesenhados apresentou um desafio técnico formidável”, escreveu a equipe.

Eles adotaram uma estratégia de dividir para conquistar. Eles primeiro projetaram pedaços de DNA sintético de tamanho médio antes de combiná-los em um único “mega-pedaço” de DNA do braço do cromossomo.

O cromossomo recém-projetado teve várias mudanças notáveis. Foi despojado de transposons, ou “genes saltadores”. Esses blocos de DNA se movem pelo genoma, e os cientistas ainda estão debatendo se são essenciais para funções biológicas normais ou se contribuem para doenças. A equipe também adicionou “etiquetas” de DNA ao cromossomo para marcá-lo como sintético e fez alterações na forma como ele regula a produção de certas proteínas.

No geral, as mudanças reduziram o tamanho do cromossomo em quase 56%. Depois de inserir o cromossomo desenhador nas células do musgo, a equipe os transformou em plantas adultas.

Uma flor meio sintética

Mesmo com um genoma fortemente editado, o musgo sintético era surpreendentemente normal. As plantas cresceram rapidamente em arbustos folhosos com vários ramos e eventualmente produziram esporos. Todas as estruturas reprodutivas eram semelhantes às encontradas na natureza, sugerindo que as plantas semi-sintéticas tinham um ciclo de vida normal e poderiam potencialmente reproduzir-se.

As plantas também mantiveram a sua resiliência contra ambientes altamente salgados – uma adaptação útil também observada nas suas contrapartes naturais.

Mas o musgo sintético tinha algumas peculiaridades epigenéticas inesperadas. Epigenética é a ciência de como as células ativam ou desativam os genes. A parte sintética do cromossomo tinha um perfil epigenético diferente do musgo natural, com mais genes ativados do que o normal. Isso pode ser potencialmente prejudicial, de acordo com a equipe.

O musgo também ofereceu informações potenciais sobre a “matéria escura” do DNA, incluindo transposons. A eliminação destes genes saltadores não pareceu prejudicar as plantas parcialmente sintéticas, sugerindo que podem não ser essenciais para a sua saúde.

De forma mais prática, os resultados poderiam impulsionar os esforços de biotecnologia usando musgo para produzir uma ampla gama de proteínas terapêuticas, incluindo aquelas que combatem doenças cardíacas, curam feridas ou tratam derrames. O musgo já é usado para sintetizar medicamentos. Um genoma parcialmente desenhado poderia alterar o seu metabolismo, aumentar a sua resiliência contra infecções e aumentar o rendimento.

O próximo passo é substituir todo o braço curto do cromossomo 18 por sequências sintéticas. O objetivo deles é gerar um genoma completo de musgo sintético dentro de 10 anos.

É uma meta ambiciosa. Comparado ao genoma da levedura, que levou 18 anos e uma colaboração global para reescrever metade dele, o genoma do musgo é 40 vezes maior. Mas com tecnologias de leitura e síntese de ADN cada vez mais eficientes e baratas, o objectivo não está fora de alcance.

Técnicas semelhantes também poderiam inspirar outros projetos para redesenhar cromossomos em organismos além de bactérias e leveduras, de plantas a animais.

Crédito de imagem: Pirex / Wikimedia Commons

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• Fonte: https://singularityhub.com/2024/02/08/partially-synthetic-moss-paves-the-way-for-plants-with-designer-genomes/