Pesquisadores desenvolveram o primeiro sistema sem células no qual a informação genética e o metabolismo trabalham juntos
Os processos metabólicos fora das células vivas só continuam enquanto são supridos com blocos de construção do exterior. Uma equipe de pesquisadores do Max Planck liderada por Tobias Erb desenvolveu agora o primeiro em vitro sistema inspirado pela natureza que acopla genética e metabolismo e pode dirigir a si mesmo. Ele funciona fora das células e usa CO2 como matéria-prima.
A capacidade de todos os sistemas vivos de se desenvolver, organizar e sustentar a si mesmos é baseada em um processo cíclico no qual genes e metabolismo interagem em paralelo. Enquanto os genes codificam os componentes do metabolismo, o metabolismo fornece a energia e os blocos de construção para manter e processar informações genéticas.
Na biologia sintética, os pesquisadores exploram os princípios da vida reconstruindo seus sistemas de baixo para cima, começando com o número mínimo de partes necessárias. Nos últimos anos, essa abordagem tornou possível desenvolver redes metabólicas complexas e sistemas genéticos livres de células fora do ambiente celular – em vitro – por exemplo, em câmaras microfluídicas. O que essas abordagens têm em comum é que todos os biocatalisadores que funcionam nesses sistemas são adicionados de fora, e todo o processo só continua enquanto for abastecido com um fluxo contínuo de novos blocos de construção, informações e energia.
Ao interligar os níveis metabólico e genético, os pesquisadores querem criar sistemas biológicos sintéticos autossustentáveis que podem gerar seus próprios blocos de construção e conduzir processos de forma recíproca – assim como em células vivas. Uma equipe liderada por Tobias Erb do Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre em Marburg, Alemanha, agora deu um passo significativo em direção a esse objetivo. A equipe desenvolveu o primeiro sistema sem células no qual uma rede genética e uma metabólica mantêm uma à outra funcionando. O sistema produz enzimas metabólicas por si só e funciona tanto no tubo de ensaio quanto em imitadores de células artificiais. Ele é baseado no ciclo Cetch sintético, uma rede metabólica que usa CO2 como matéria-prima para produzir moléculas orgânicas.
O truque: Interdependência
“Nós acoplamos o ciclo Cetch com um sistema genético existente chamado Pure, uma máquina sintética de transcrição e tradução que funciona com uma mistura de ribossomos, DNA, RNAs e proteínas, fora das células vivas. Nós projetamos os dois níveis para trabalharem juntos como um motor. Uma vez iniciado, ele continua porque as duas redes se alimentam uma da outra”, explica Simone Giaveri, bolsista do EMBO e primeira autora do artigo.
Para fazer isso funcionar, os pesquisadores tornaram os componentes dependentes uns dos outros. Eles programaram o Pure para produzir duas das enzimas Cetch. No entanto, essa variante Pure não tem o aminoácido essencial glicina, que é necessário para construir proteínas. O Cetch foi modificado para produzir glicina diretamente do CO2. Como a Pure obtém a glicina da Cetch, o ciclo é fechado.
Para provar que sua abordagem funcionava, os pesquisadores primeiro adicionaram glicina ao Pure, que continha as informações para a produção de uma proteína fluorescente. Seu brilho indicava a atividade procurada da rede genética. O próximo passo foi introduzir o ciclo Cetch sintético. Uma vez que a via sintética foi introduzida, o sistema acoplado tornou-se capaz de produzir a própria glicina – e, por sua vez, duas proteínas do Cetch, bem como a proteína fluorescente.
Das mais de 50 proteínas no sistema, o sistema produz apenas duas por si só. No entanto, isso é tudo o que é necessário para conduzir o ciclo sintético. “Sem o componente genético e o feedback mútuo, o ciclo só duraria menos de uma hora. O fato de haver autorregeneração significa que ele durará pelo menos doze horas antes que o sistema pare por vários motivos, por exemplo, porque os componentes falham ou os subprodutos se acumulam demais”, explica Simone Giaveri. “Você tem que começar com uma quantidade mínima de glicina e ele continuará.-
A maioria dos elementos do metabolismo sintético ainda são fornecidos de fora. – Ainda estamos muito longe de um sistema que pode regenerar todos os seus próprios componentes”, diz Tobias Erb. Isso envolveria codificar redes metabólicas completas, codificar programas de autorreparo para estender a vida útil de sistemas in vitro, bem como integrar ciclos de reciclagem bioquímica. “Até agora, só conseguimos produzir um bloco de construção, e ainda estamos muito longe de sermos capazes de produzir todos os blocos de construção a partir de CO2. No entanto, desenvolvemos um sistema operacional básico que se beneficiará de desenvolvimentos futuros neste campo de pesquisa em rápido movimento. Olhando ainda mais para o futuro, você pode imaginar que no futuro seremos capazes de executar tal sistema com eletricidade leve ou mesmo sustentável.-
Um sistema operacional básico para futuros sistemas sustentáveis
A orquestração de mais de 50 proteínas, fontes de energia, informações genéticas e blocos de construção é o resultado de um enorme número de experimentos nos quais Simone Giaveri testou e otimizou combinações em paralelo. Cada elemento no sistema altamente complexo de Simone Giaveri é precisamente projetado para seu propósito. “Você pode usar nosso sistema como uma unidade operacional, como um motor básico para em vitro sistemas”, diz Tobias Erb. “E porque é baseado em CO2isso se tornaria possível de forma totalmente sustentável, porque essa matéria-prima está disponível em quantidades praticamente ilimitadas.
