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.. I tI. -- 11. ~ II I. Ii 1"11 ......I.I. - 111 I - ... - --- ,.. ,~c- ;i...... . ;. '~. -~ ... "' . - .,..~ ~,\\...{(u'!F. í. - . U . -. - . \1 .' 1..-- U. u;L.--~; , .1!1.:. '-'r 1 - , I 11 r. I \ .- ..u II - I j' 111 11 111 RI! - I,.. ..... " 11 a - I. " - ._,- I!II -- . - .....-. ~ wl~~) . . . - I . ..Uu. I -.n-......,- .-...- U"""""" . ..fII - --- - i3 iD'""' 55'" 1'3 z ~ bibliotecas DNA . ,. criarmaquinas VíRUSREDESENHADOS ajudarãooscientistasa construirmáquinas genéticasconfiáveis. EquipedoMITreorganiza ogenomadobacteriófago T7mostradoaqui WWW.SCIAM.COM.BR PorW.WaytGibbs evoluçãoéumafonteinextingüívelde criatividade:3,6bilhõesdeanosde mutaçõesecompetiçãoderamaosse- resvivosumavariedadeimpressionan- tedehabilidadesúteis.Mas aindahá muitoespaçoparaaperfeiçoamentos.Determina- dosmicrorganismossãocapazesdedigeriro explo- sivoecarcinogênicoTNT, porexemplo.Não seria interessantequeelesbrilhassemaofazerisso,indi- candoalocalizaçãodeminasterrestresouaconta- minaçãodosolo?Arbustosdeartemísiaproduzem umpotenteagentecontraamalária,masemquan- tidadestãopequenasqueécaroextraí-Io.Quantos milhõesdevidaspoderiamsersalvasseocompos- to,a artemisinina,pudessesersintetizadoabaixo custoporbactérias?E, apesardemuitosestudiosos decâncerestaremdispostosadarumolhoemtroca deumacélulacomumcontadorconfiávelquemos- trassequantasvezeselasedividiu,aNaturezapare- cenãoterachadotalinventonecessário. Podeparecerumasimplesquestãodeengenha- riagenéticareprogramarcélulasparaquebrilhem napresençadeumatoxina,manufaturarumremé- dio complicadoou monitorara idadedascélulas. Mas acriaçãodedispositivosbiológicoscomoes- sesestálongedeserfácil.Os biólogosvêmtrans- plantandogenesdeumaespécieparaoutrahá30 anos,emesmoassima engenhariagenéticaainda temmuitomaisdeartesanatoquedeengenharia. "Digamosqueeuqueiramodificarumaplanta paraqueelamudedecornapresençadoTNT', propõeDrewEndy,biólogodo InstitutodeTec- nologiadeMassachusetts."Possocomeçarmani- pulandoossistemasgenéticosdaplantae,setiver sorte,depoisdeumanooudoisobtereium'dispo- sitivo'- umsistema.Masissonãovaimeajudara criarumacélulaquecirculeecomaasplacasdas paredesdasartérias,ouafabricarumamicrolente. A práticaatualproduzbasicamenteobrasdearte." Endyfazpartedeumgrupocrescentedecien- tistasquesedestacaramnosúltimosanosporrefor- çarasfundaçõesdaengenhariagenéticacomoque chamamdebiologiasintética.Elesestãoprojetan- doeconstruindosistemasvivosqueajamdemodo previsível,queusempartesintercambiáveiseque, emalgunscasos,operemcomumcódigogenético expandido,quelhespermitafazercoisasimpossí- veisaqualqueroutroorganismonatural. Essecampocientíficoembrionáriotemtrêsob- jetivosprincipais:um,aprendersobreavidaatra- vésdesuaconstrução,emvezdesuadestruição. Dois,fazercomqueaengenhariagenéticafaçajus aonome- umadisciplinaquesedesenvolvacons- tantementepelapadronizaçãodesuascriaçõesesua recombinaçãoparaproduzirnovosemaissofistica- dossistemas.E três,expandiroslimitesdeseresvi- vosemáquinasatéqueambosseunamparapro- duzirorganismosrealmenteprogramáveis.Micror- ganismosquedetectemTNT equeproduzamar- temisininajáparecempossíveis.Osprotótiposatuais sãorelativamenteprimitivos,masavisãoégrandio- sa:pensenissocomoVida,versão2.0. SCIENTIFICAMERICANBRASIL 65 Asraízesdabiologiasintéticaremetema15anosatrás,ao trabalhopioneirodeStevenA. BennerePeterG.Schultz.Em 1989,BennerliderouumaequipedoETH deZuriqueque criouumDNA comduas"letras"genéticasanificiais,além dasquatroqueaparecemnavidatalcomoaconhecemos. Desdeentão,eleeoutroscriaramdiferentesvariedadesde DNA aprimorado.Atéagora,ninguémconseguiucriargenes funcionais- quesejamtranscritosparaRNA edepoistradu- zidosparaa formadeproteína- apanirdoDNA alterado. No anopassado,noentanto,ogrupodeSchultz,doInstituto dePesquisaScripps,desenvolveucélulas(contendoDNA normal)capazesdegeraraminoácidosnão-naturaisereuni- losparaformarnovasproteínãs(verquadronapág.66). Bennereoutrosbiólogossint~ticosda"velhageração"en- caramagenéticaanificialcomoummeiodeexplorarpergun- tasbásicas;comoavidasurgiunaTerraequeformaselapode assumiremoutroslocaisdoUniverso.Muitointeressante,mas oquevemmesmodandodestaqueàbiologiasintéticaultima- menteéapromessadequesetorneummétododeprojetare construirmáquinasqueatuemdentrodascélulas.Doisdis- positivosassim,descritosaomesmotempoem2000,inspira- ramtrabalhossubsequentes. Osdoisdispositivosforamconstruídospelainserçãodese- qüênciasselecionadasdeDNAnaEscherichíacalí,umabacté- rianormalmenteinofensivacomumnointestinohumano.Os I I Bo I 00 ~J lI.Diqfugiamií~culàtsem' iê~;taqu~)esmo~taossiSte. masvivosparadeduzircomoelesoperam. t Umnúmerocresc~ntedebiólogóssintéticosestápartindopara , um~ab mJliferen~e: uir máquinasc9mpartes intettã'm s !~}bNA:"Osdi i\l9'sfuncionamdentrode ,célulasviv~s,deondetir,amen~rgia,matéria-primaeacaeaci. dad~demoyimentaçãoe..reprodução." ~ "'~Abiologia rOclJlZiulT\i~rorgo~~Eomtal~ntosàrtifi. '0 ciais.Álgu ingrédient~sqUI cdmplexospararpedi. camqntos;ootrosfazemaminoácidos,retirammetais]esado'$da águ~ousão~paz~sdeexecutarI~gica~1náriasimples. 66 SCIENTlFICAMERICANBRASIL DREWENDYeequipedoMITdesenharame construírammaisde140"biotijolos"(nos frascos J. Cadaumé umpedaçodeDNAque desempenhaumafunçãocaracterísticae interagecomoutraspartesgenéticas dois,noentanto,tinhamfunçõesmuitodiferentes.MichaelElo- witzeStanislausLeibler,entãonaUniversidadedePrinceton, organizaramtrêsgenesinteragentesdemodoafazeraE. calí piscarcomoluzinhasdeNatalmicroscópicas(verboxnapág. aolado).Enquantoisso,JamesJ. Collins,CharlesR. Cantore TimothyS.Gardner,daUniversidadedeBoston,construíram uminterruptorgenético.Umaretroalimentaçãonegativa- dois genesqueinterferementresi - fazo interruptorsemoverentre doisestadosestáveis.Isso forneceacadabactériamodificada umamemóriadigitalrudimentar. Paraosbiólogoscomespíritodeengenheiros,essasexperiên- ciasforamestimulantes,mastambémfrustrantes.Demorouquase umanoparacriarointerruptor,ecercadodobrodissoparaprodu- zirosmicróbiosquepiscam.E ninguémviaumapossívelligação entreosdoisdispositivos,parafazer,porexemplo,bactériasfluo- rescentesquepudessemserligadasedesligadas. "Gostaríamosdesercapazesdemontarsistemasapartirde peçasbemdescritaseobedientes",dizEndy."Dessamaneira,se alguémnofuturomepedirparaconstruirumorganismoque,diga- mos,conteaté3.000e vireàesquerda,podereiescolheraspanes necessáriasnaprateleira,uni-Iaseprevercomoelasvãoatuar."Há quatroanos,partescomoessasnãopassavamdeumsonho.Hoje elasenchemumacaixanamesadeEndy. ConstruindocomBiotijolos '1\QUI ESTÃOPARTESGENÉTICAS", DIZ ENDY, segurando um recipi- entecontendomaisde50frascoscheiosdeumlíquidotranspa- renteeviscoso."Cadaumdessesfrascoscontémcópiasdeuma seçãodiferentedeDNA, quedesempenheumafunçãosozinha ouquepossaserusadaporumacélulaparaproduzirumaproteí- naquefaçaalgoútil.O imponanteaquiéquecadapanegenética foi cuidadosamenteprojetadaparainteragirbemcomasoutras panes,emdoisníveis."No nívelmecânico,osbiotijolos(BíoBri- em,comoo grupodoMIT chamaaspanes)podemserfabrica- dosearmazenadosindependentemente,edepoisreunidospara formarpedaçosmaioresdeDNA. E, nonívelfuncional,cadaparte enviae recebesinaisbioquímicospadronizados.Dessemodo, umcientistapodemudaro componamentodeuma"construção" JUNHO2004 ~-~--- ~ -- - -= ~ -- COMOFUNCIONAUMAPARTEGENÉTICA Conjuntosde genes e de DNAregulatório podem funcionar como o equivalente bioquímico dos componentes eletrônicos UM COMPONENTE UminversorbioquímicorealizaaoperaçãoboolianaNOTemrespostaa umsinaldeentrada- umaproteínacodificadaporoutrogene. LIGADO Ouandonão há a presençade proteínade entrada[entrada=OJ. o genedo inversorestá "ligado"- ele dá origema sua proteínacodificada(saída=l] DESLIGADO Ouandoa proteínadeentradaé abundante(entrada=l), o gene inversoré desligado[saída=O). Sementrada Proteína Entrada .~ desaída " ~ . '. I - ..,.. . ;"""" Semsaída ~. L:;"YY ~.~ ~I .' "". ,Região I '.'-..,reguladora .- d'fi d deReglaoco I Ica ora proteínadogene inversor UM CIRCUITO Um circuito genético simples conecta os três inversores, cada um dos quais contendo um gene diferente [gene 1, 2 ou 3). Os genes oscilam entre os estados ligado e desligado conforme o sinal se propaga através do circuito. O comportamento é monitorado por um gene (na extrema direita)queinterceptaum pouco da proteína de saída gerada por um dos genes inversores (gene 3) e produz em resposta uma fluorescência. APÓS150MINUTOS LIGADO ;;............., '!- ""'...,DESLIGADO -~ ~.,.,.~ LIGADO """""""'" Gene1 ~~~/' -1"'. ~'::'"!:'" '\ .' Gene2 --.:~./ t" Gene3 ""'..APÓS200MINUTOS """"""""""""":::" , ,..,., .."""""""""""""""""""""""""""' ~"""~"'".[' DESLIGADO - -'o -~. afluorescência. . LIGADO """"'" Gened-- ","".. ".Gene1 ~ ;;;tea «w ~ :;;:'" ~ N.... 3' ~-'w« 5 ~. 8'u: i UM CIRCUITO EM AÇÃO Célulasbacterianascontendocircuitoscomoessespiscamrepetidamente{gráficoJ. Mas,naprática, célulasmodificadasparafazerissoemcultura(fotografiaJ piscamemritmosvariáveis,porqueos circuitosgenéticostêmmaisruídosesãomenoscontroláveisqueoscircuitoseletrônicos. ~120 .-= ~ :e'" ID 80-c'"-c 'c -=- .!!! 40u I:.CbU I/) Cb g O ü: O Brilhodeumaúnicacélulaprogramada 100 200 300 400 Tempo (minutos) 600500 apenaspelasubstituiçãodeumadaspartesemdeterminadolocal. "Componentesintercambiáveissãoalgoinerenteaoutrostipos deengenharia",ressaltaEndy,masaengenhariagenéticaestáso- mentecomeçandoatirarproveitodoconceito.Umadesuasvanta- genséaabstração.Assimcomoengenheiroselétricosnãoprecisam saberoquehádentrodeumcondensadorparausá-lonumcircui- to,osengenheirosbiológicosadorariampoderusaruminterruptor genéticosemteramenoridéiadeseuscoeficientesoudaaparência bioquímicadospromotores,repressores,ativadores,indutorese outroselementosgenéticosqueofazemfuncionar. Um dosfrascosdacaixadeEndy,porexemplo,contémum biotijoloinversor(tambémchamadooperadorN OT). Quando seusinalde entradaé alto,seusinalde saídaé baixo,e vice- versa.OutrobiotijolodesempenhaafunçãoboolianaAND, só emitindoumsinaldesaídaquandorecebeníveisaltosemsua entrada.Como asduaspartestrabalhamcomsinaiscompatí- veis,suaconexãogeraum operadorNAND (NOT AND). Praticamentequalquercomputaçãobináriapodeserobtidacom umnúmerosuficientedeoperadoresNAND. Além daabstração,apadronizaçãodaspartesofereceoutravan- WWW.SCIAM.COM.BR Gene2 Gene3 ~ '"za ~ >-u=>-' Genedafluorescência " ':;«"z z'" ~ w 5i 1< 5 z ~ tagemimportante:apossibilidadedeprojetarsistemasgenéticos funcionaissemsaberexatamentecomoconstruí-los.No iníciodo anopassado,umaclassede16alunosconseguiu,emummês,es- pecificarquatroprogramasgenéticosparafazergruposdecélulas deE. calípiscaraomesmotempo,comofazemàsvezesosvagalu- mes.Os estudantesnãosabiamcomocriarseqüênciasdeDNA, e nemprecisavamsaber.Endycontratouumaempresaquesintetiza DNA paramanufaturaras58partesrequeridaspelosprojetos.Es- sesnovosbiotijolosforamentãoadicionadosaoRegistrodePartes BiológicasPadrãodoMIT. Essebancodedadosonlinelistahoje maisde140partes,eonúmeroaumentamêsamês. SeqüestrandoCélulas PORMAISúTILQUESEJAaplicarasliçõesdeoutroscamposdaenge- nhariaà genética,depoisdecertopontoa analogiadesmorona. Máquinaselétricasemecânicasnormalmentesãoindependentes. Issotambéméverdadeparaalgunsdispositivosgenéticos:noiní- ciodesteano,porexemplo,Milan Stojanovic,daUniversidadede Colúmbia,conseguiucriarbiomoléculassemelhantesaoDNA que sãoumaversãoquímicadejogo-da-velha.Masosbiólogossintéti- SCIENTIFICAMERICANBRASIL 67 ~ m õ;ii /fi rft"H IV";; 8fJI' cosestãomaisinteressadosemconstruirdispositivosgenéticosden- trodecélulasvivas,paraqueossistemaspossamsemover,sere- produzireinteragircomomundoreal.Do pontodevistadacélula, odispositivosintéticodentrodelaéumparasita.A célulalheforne- ceenergia,matéria-primaeainfra-estruturabioquímicaquedeco- dificaoDNA paraRNA-mensageiroedepoisparaproteína. A presençadacélulahospedeira,porém,acrescentagrandecom- plexidadeàquestão.Biólogosinvestiramanosdetrabalhoemmo- deloscomputacionaisdaE, coliedeoutrosorganismosunicelula- res.Mesmoassim,dizRonWeiss,dePrinceton,"sevocêmedera seqüênciadeDNA deseusistemagenético,nãopossodizeroque abactériavaifazercomele".Na realidade,lembraEndy,"metade das60 partesqueprojetamosem2003nãopuderamserinicial- mentesintetizadasporqueelasmatavamascélulasqueasestavam copiando.Tivemosdedescobrirummeiodereduziroesforçoim- postoàscélulaspelotransporteepelareplicaçãodoDNA projeta- do".(No fim,58das60partesforamproduzidascomsucesso.) Umaformadeenfrentaracomplexidadetrazidapelogenoma nativodascélulaséevitá-Ia:odispositivogenéticopodeserisolado dentrodeseupróprioloop(alça)deDNA,separadodocromosso- modoorganismo.A separaçãofísicaésóumameia-solução,por- quenãoháfiosnascélulas.A vidafuncionaem"redelíquida",com sinaisdirecionadoresdeproteínasflutuandodeumlocalparaou- tro."Portanto,seeutiveraquiuminversorfeitodeproteínaseDNX', explicaEndy,"umsinaldirecionadordeproteínadestinadoaessa partetambémvaiatuaremqualqueroutroinversorcomoesseem qualqueroutrolugardacélula",independentementedeeleestar dentrodoloopartificialounocromossomonatural. Um mododeevitarocruzamentodesinaisétentarnãousara mesmaparteduasvezes.Weissusouessaabordagemaoconstruir ocircuitogenético"CachinhosDourados",queseiluminaquando háapresençadedeterminadasubstânciaquímica,masapenasquan- dosuaconcentraçãonãofornemmuitoaltanemmuitobaixa(ver ilustraçãonapág.oposta).Háquatroinversoresdentrodesuasvá- riaspartes,ecadainversorreageaumsinal.A questãoéqueessa estratégiatomamuitomaisdifícilprojetarpartesquesejamreal- menteintercambiáveisepossamserrearrumadas. Endy estátestandooutrasolução,quepodesemostrarmais eficienteparaalgunssistemas."Nossoinversorusaosmesmoscom- ponentes[utilizadosporWeiss],masorganizadosdemododife- rente",dizEndy."Ainformaçãonãoéumaproteína,masumataxa, especificamenteataxadetranscriçãodogene.O inversorresponde a quantosRNAs-mensageirossãoproduzidosporsegundo.Ele produzumaproteína,eessaproteínadeterminaataxadetranscri- ção[aoativarumsegundogene].'Portanto,eumandoTips [trans- 68 SCIENTIFICAMERICANBRASIL Máquinasvivassereproduzem, mastambémsofremmutações criçõesporsegundo]eobtenhoTIPS. É amoedacomum,comoa correntedeumcircuitoelétrico."Na teoria,o inversorpodeserre- movidoe substituídoporqualqueroutrobiotijoloqueprocesse TIPS. E ossinaisdeTIPS sãolocalizados,porissoamesmaparte podeserusadaemvárioslocaisdeumcircuitoseminterferência. A técnicaTIPS vaisertestadaporumnovoconjuntodesis- temasgenéticosprojetadosporalunosquefizeramumcursode invernonoMIT, emjaneiro.A metanesteanoerareprogramar célulasparaqueelastrabalhassememconjuntodemodoaformar padrões,comoumaestampadebolinhas,numaplacadelaborató- rio.Paraisso,ascélulasprecisamsecomunicaratravésdasecreção edapercepçãodenutrientesquímicos. "Os sistemasdesteanotêmo dobrodotamanhodosprojetos de2003",dizEndy.Foramnecessários13mesesparaconstruiros projetosdaE. coliquepiscaeinseri-Iosemcélulas.Masnesteano o estoquedebiotijolosé maior,avelocidadedasíntesedeDNA aumentoueosengenheirostêmmaisexperiêncianamontagemde circuitos.Por issoEndy esperaqueosprojetosde2004estejam prontosparatesteemcincomeses,atempodeserexibidosnapri- meiraconferênciasobrebiologiasintética,marcadaparajunho. Reescrevendoo LivrodaVida OS CIENTISTAS QUE FOREM À CONFERÊNCIA vão sem dúvida chorar aspitangassobreadificuldadeinerenteemprojetarumpedaçode DNA relativamentepequenoquefuncioneconfiavelmentedentro deumacélulaemconstantemudança.Máquinasvivassereprodu- zem,mastambémsofremmutações. "Areplicaçãoestálongedeserperfeita.Jáconstruímoscircuitoseosvimossofrermutaçãoemmetadedascélulasnumespaçode cincohoras",contaWeiss."Quantomaiorforocircuito,maisrápi- dotendeasofrermutação."WeisseFrancesAmold,do Caltech (InstitutodeTecnologiadaCalifórnia),desenvolveramcircuitosde desempenhoaprimoradoaoobservarváriasrodadasdemutaçãoe selecionarascélulasmaisaptasarealizaratarefadesejada.Semsu- pervisão,aevoluçãotendeadestruirasmáquinasgenéticas. "Eu gostariadeproduzirumdispositivogeneticamentecodifi- cadoqueaceitasseumsinaldeentradaesimplesmentecontasse:1, 2,3,...até256",sugereEndy."Issonãoémuitomaiscomplexodo queoqueconstruímosagora,enospermitiriadetectarcomrapidez eprecisãocertostiposdecélulasqueperderamocontrolesobresua reproduçãoesetomaramcancerosas.Mascomofaçoparaprojetar ummostradorquecontinueintatoenquantoamáquinafazcópias desimesmacomerros?Nãofaçoidéia.Talveztenhamosdeincor- porararedundância- outalvezprecisemosfazercomqueafunção domarcadorsejadealgummodopositivaparaacélula." JUNHO2004 8: DETECTORNIVODEEXPLOSIVOS UmdetectordeTNTvivo,quedescubraminasterrestressobaterra,podeserconstruídousandocircuitosgenéticos"CachinhosDourados" queficamfluorescentesapenascomdeterminadaconcentraçãodeTNT. MONTANDO UM SENSOR GENÉTICO UsandopartesintercambiáveisdeDNA(nostubosdeensaio),osengenhei- rosmontaramtrêsversõesdodispositivo.Umaemitiaumbrilhovermelho, massóquandoaconcentraçãodeTNTeraalta.Asegundabrilhavacomluz amarelasobníveismédiosdeTNT,eumaterceirapoderiaficarverdesob Frascoscompartesgenéticas baixasconcentrações.Osengenheirosinseriamoscircuitosemtrêsculturas bacterianasdistintas.Nosoloacimadeumamina(abaixo),oTNTsedistribui numgradientecircular.Então,umamisturadascélulasalteradasproduziria umalvocircularcentradonomina. TNT '!!i!' ~ O SISTEMA EM EM AÇÃO UmprojetoparaumcircuitogenéticoCachinhosDouradosusaquatropartes: umsensor,umlimitesuperioreoutroinferior,euminversor.Cadapartetem umcomportamentodistinto:aquantidadedeproteínadesaídavariacomo funçãodaquantidadedeproteínadeentradaqueelerecebe.Noesquema $E~I)it Emitedoissinaisquesão maisoumenosproporcionais aoníveldeTNTdentroda célula.Osdoissinaissão desiguais:numníveldeTNT de4%,umdosgenesno sensor(roxoescuro) comandaaproduçãode apenasametadedaproteína (quadradinhos)produzida pelooutrogene(roxoclaro)., Cromossomobacterian abaixoparaumsistemadebrilhovermelho,osgráficosilustramcomocada parteajustaoseufuncionamentoàgamadeconcentraçõesdeTNT.(As formasgeométricasrefletemníveisdesaídaquandoaconcentraçãodeTNT estáno.pontoexato"de,digamos,4%.) lIMíiESUPBlOO . Recebeosinalmaisfracodos~nsor.Asaídadoprimeirogenenessapartecomeçaa cairdramaticamentemasaindaestá altaquandoos níveisdeTNTsão de4%.Ogene seguintena cadeiasimplesmenteinvertequalquersinalqueo primeirogenecrie. Então,numaconcentraçãodeTNTde4%,o limitesuperiormandamuitopouca proteínaparaapróximaparte(o inversor). . . +..+.11. ..', Ld: Q . ... :, "" Limite inferior +..:+...++ ++TNT - Limite superior Saídado inversor U "'7-.. ,: " . " ; "'" . . , : ".'- j ". i,rrA'. LL.- '. .. """'" .. .. """, 4<111'"4'".. [JL+U=C\i[ Ci ' . ' ...........: ...,.. .'" . ." ...' ...', INVERSOR Contém genes que expressam proteínas fluorescentes, mas apenas quando os sinais de entrada dos dois limites são baixos. Seu produto (pentágonos) é a soma do sinal protéico produzido pelo limite inferior mais o sinal da parte posterior do limite superior. A saída do inversor- uma proteína fluorescente vermelha - é alta apenas quando sua entrada é baixa, em concentra- ções de TNT por volta de 4%.~ TNT Proteínas fluorescentes LIMITEINFERIOR Produz um sinal de saída que é o inverso do de entrada (triângulos). proteína que o sensor produz mais prolificamente. A saída dessa parte começa a cair rapidamente em níveis de TNT por volta de 1%;a 4%. esse parte quase não produz proteína para mandar ao inversor. zU> ifj C W i;; õ: :E:U Z ~ iE WWW.SCIAM.COM.BR- SCIENTIFICAMERICANBRASIL 69 VIÔA,MASNÃ()(EXATAMENTElcoMoÁCONHECÊMOS AviganaTerraassfÍmiuur;pagamatremenda- mentédiversadefBtmas,mastodasas espéciessurgemdosmesmosingredientes moleculares:cincoflucleo\ídeosqueformamos tijolosdoDNAedo~NA,e,?Oaminoácidosque sãooS'tijôlosdasprôteínas.fPelo!!YIenosiaôis aminoácidosadicionaissãôconstruídospor algllrnasespéciesisoladas.)Essesingredien- teslimitamasreaçõesquímicasquepodem acontecerdentro,dascélulas,resrfingiJ'}dôo queavidaconseguefazer: Essarestriçãofoiafrouxadaem2001, provavelmentepel~primeiravezemmai~de3 bilh~esde,~nos;~,~~ois.!!~N1ult~.s,gt~ntat.iM~s, LeiW:mg,PeterG.$thult1.,~seUstolaboradores noInstitutodePesquisaSçrippsemLaJolla,na Califórnia,finalmenteconseguiramadicionarà EscherichiacolitodososgglT)ponentes genéticosnecessál'ibspa!;é1decodificara seqüência aeDNAdetrês nucleotídeosTAGem ami!,!oácidosnãomaturaisdeváriostipos. Foiumpassoseminal;m,!~intelT!!ediário, porqueosaminoáciCJossO1.inhos"fêm relativamentepoucaserventia.Overdadeiro objetivoém2dificarascélulasp~raqueelas nãoapenassintetizemaminoácidosartificiais, ma~també~gr.llçl~m;!,!o.saal'hid~ácido~ natL.iraisparamontarproteínasquenenbuma outraformadevidaconsigafabricar.Noano passado,ogrupodeSchultzanul]~iouquetinha feitQJexatarnenteisso.cOJJJi~E.rJ:oli,eem~gosto elesrelataramacriaçãodeumaformade leveduracomessemesmotalento. "Amaquinariadetradução[quelêoRNApara fazerproteínasln~slevellurasémuito parecidacomados'humãt\os",ãpônfaTI AshtonCropp,biólogodolaboratóriodeSChultz. "Atéagoranósproduzimosseistiposde aminoácidosnão;1)aturaisemleveduras",eos cientistas"çpmeçâtà.m'.àadaptar'bssistem~s paraquefuncionemnascélulasrenais humanaseemvermesnematóides,dizCropp. "Estamosmuitopertodeterumsistemaque cOl")seguefazerdoisamil'1oácidosnão~nãturais diferentes'êcolocáclosnamesmaproteína", acrescenta."Écomplicadoporque,parafazer isso,acélulatemdedecodificarumaseqüên- ci'!..lieDN,4.comqljatronuçleotíd~os[emve:?de três]",coisaque,COmotodomundosabe, nenhumacélulajamaisfez. "Esseavançopoderiaimpulsionaravanços Co!})poterJI;ialbiomédicoinestilT)ável",afirma BriahL.Davis,daF"undaçãodeRã'squisadoSul1 daÇalifórnjaemLãJolla.Davisprevêglóbulos brancosquepoderiamproduzirnovas proteínasparadestruirpatógenQsoucélulas cancerosasmais/'apidamente.Çroppd~quea tecnologiajáestácriandonovasférramentas depesquisa,comoproteínasqueincluem aminoácidosfluorescentesouqUemudamde C9wporti:JÔi\entoquandoe,Xpostasàdu:?"Isso nospermiteprenderpolímerosàsproteínas terapêuticas,oqUeasfatJuncionarmelhor comodrogas",afirmaCropp. Bililogossintéticostampémanli~m,r;pe!<endo comformasnão'haturaisdeDNA.StevenA. BennereseuscolegasdaUniversidadeda Flóridadesenvolveramumalfabetogenéticode Ou quemsabeosengenheirosvãoterdeentendermelhorcomo formassimplesdevida,comoosVÍrus,resolveramoproblemada persistência.Aqui, também,abiologiasintéticapodeajudar.Em novembropassado,HamiltonO. SmitheJ. CraigVenteranuncia- ramqueseugrupo,no InstitutoparaAlternativasBiológicasde Energia,haviarecriado,apartirdonadaeemapenasduassema- nas,umbacteriófago(vírusqueinfectabactérias)chamadophiX174. O vírussintético,disseVenter,temosmesmos5.386paresbasede DNA queaformanaturaleétãoativoquantoela. "A síntesedeumcromossomograndeestáagoraclaramente aonossoalcance",disseVenter,quedurantemuitosanoschefiou umprojetoparaidentificaroconjuntomínimodegenesnecessá- riosparaasobrevivênciadabactériaMycoplasmagenitalium."O quenãosabemosésepodemosinseriressecromossomoemuma célulaetransformarosistemaoperacionaldacélulaparaeliminar gradualmenteo novocromossomo.Vamosterdecompreender 70 SCIENTIFICAMERICANBRASIL r AESCADAlORCIDADEDNA{acima,qesquerda, vistadefadoedoaJto}podenãoseraúnica macromoléculacapazdearmazel]ara receitados organismosvivos,Oscientistase!;tãofazendo ~erimentos cOmácidos'nl.lcléicôssemb artificiais,comooxDNA(à direita},quesãomais estáveise,assim,menossujeitosasofrermutações seislettas;elefo!üsadorecentêmentepata criarumteSterápidoparaovírusdaSars. "EStamosbrincandocomumavariedade chámadaTNA,naqualal'iboseésubstituída pôrUmaçúcarmaissimples",dizJacl<W S:z:ostak,doHospitâlGeraldeMassachusetts.O TNAe oxDNA,criadoporEric1:Kool,da Urí.iversidadeStahford,sãomai~estáveisqueo PNA.lss9pode@zercomqueel~ssejal')1 m~lhoresparareprograÔi\arcélulas.Primeiro, contudo,õscientiStasvãoterdefazê-Ios funcionardentrodeorganismosvivos.,...w.w.G. ~'"o :<J @ '"o :<J g ~ CD '"W'" it. ~ <::> g 5j ~-''" ~'" =>::; :z: ~ ff 13 Ej ! ;:3' ê :z ~ avidaemseunívelmaisbásico,eestamoslongedefazerisso." A recriaçãoletraporletradeumvírusnãorevelamuitosobre ele.Maseseogenomafossedissecadoemseusgenesconstituintes edepoismetodicamenteremontadodemodoquefizessesentido paraosengenheiroshumanos?Issoéo queEndye seuscolegas estãofazendocomobacteriófago17. "Reconstruímos017 - não sóoressintetizamos,masfizemosumareengenharianogenomaeo sintetizamos",contaEndy.Oscientistasestãoseparandogenesque sesobrepõem,cortandoredundânciasetc.O grupocompletouaté agoracercade11,5quilobasesepretendeconcluiros30milpares baserestantesatéofimde2004. Até hoje,osbiólogossintéticosconstruíramsistemasge- néticosvivoscomoexperiênciase demonstrações.Mas já há laboratóriosde pesquisatrabalhandoem suasaplicações. Martin FusseneggereseuscolegasdoETH deZuriqueforam promovidosdabactériaaosmamíferos.No anopassado,ob- . JUNHO2004 -- "Osalunosdessaclassesãofelizeseestão criandocoisasboaseconstrutivas,enãonovas espéciesdevírusouannasbiológicas." - DrewEndy,M/T tiveramcélulasdehamstercomredesdegenesquerealizam umaespéciedecontroledevolume:a adiçãodepequenas quantidadesdediferentesantibióticosfaziaaemissãodosge- nessintéticosvariarentrebaixa,médiaealta.Essetipodecon- troledaexpressãodegenespodeserevelarbemútilnastera- piasgenéticasenafabricaçãodeproteínasfarmacêuticas. PrimeirosProtótipos As PRIMEIRAS UTILIZAÇÕES DAS MÁQUINAS VIVAS serão provavel- menteemtarefasquerequeiramumaquímicasofisticada,comoa detecçãodetoxinasouasintetizaçãodedrogas.No anopassado, HommeHellinga,daUniversidadeDuke,inventouummeiode redesenharproteínassensorasnaturaisdaE. calidemodoque elasseligassemaoTNT ouaqualqueroutrocompostodeinte- resseemvezdeaseusalvosnormais.WeissdissequeeleeHellin- gadiscutemunirseucircuito"CachinhosDourados"comosen- sordeHellingaparaproduzirdetectoresdeminasterrestres. JayKeasling,quefundourecentementeumdepartamentode biologiasintéticano LaboratórioNacionalLawrenceBerkeley (LBNL), contaqueseugrupoconseguiucolocarumagranderede degenesdeartemísiae deleveduradentrodaE. coZi.O circuito pe~iteàbactériafabricarumantecedentequímicodaartemisini- na,umadrogaantimaláricacujocustodeproduçãoéhojemuito altoparaospaísesemdesenvolvimentoquemaisprecisamdela. Keaslingdizque,emtrêsanosdetrabalho,aproduçãocresceu 1milhãodevezes.Seassafrasforemmultiplicadasoutras25ou50 vezes,"seremoscapazesdeproduzirparaoTerceiroMundooco- quetelduplodedrogasbaseadasnaartemisininaporcercadeum décimodopreçoatual".Comalteraçõesrelativamentesimples,bac- tériasmodificadaspodempassara produzirascarassubstâncias químicasusadasemperfumes,emessênciasdesaborenomedica- mentocontraocâncerTaxoI. OutroscientistasdoLBNL estãousandoaE. caliparaajudar naeliminaçãodelixo nuclear,assimcomodearmasquímicase biológicas.Umaequipeestámodificandoosentidodo"olfato"da bactériaparaqueelanadeemdireçãoaumagentenelVOSO,comoo VX,eodigira."ModificamosaE.calieaPseudamanasaeruginasa paraqueelasdepositemmetaispesados,urânioeplutônionapare- decelular",dizKeasling."Quandoascélulasacumulamosmetais, elassedecantamdasolução,deixandoaágualimpa." Objetivoslouváveis,todosesses.Masvocênãoéoúnicoase WWW.SCIAM.COM.BR !" ~ sentirumtantodesconfortávelaopensaremalunosdegraduação criandonovostiposdegermes,emlaboratóriosprivadossinteti- zandovíruseemcientistaspublicandotrabalhossobrecomousar bactériasparacoletarplutônio. Em 1975,biólogosimportantespediramainterrupçãodouso datecnologiadoDNA recombinanteeorganizaramumaconfe- rênciaemAsilomar,naCalifórnia,paradiscutircomoregulamen- tarseuuso.O autopoliciamentoparecefuncionar:nuncahouve um grandeacidentecomorganismosgeneticamentemodifica- dos."Mas trêscoisasmudaramno panoramarecente",afirma Endy. "Primeiro,agoraqualquerumpodebaixarna Interneta seqüênciadeDNA paraosgenesdatoxinadoantrazoudeou- trascoisasruins.Em segundolugar,qualquerumpodecomprar DNA sintéticodeempresasestrangeiras.E, emterceiro,estamos agoramaispreocupadoscomo mauusointencional." Como a sociedadepodecombateros riscosdeumanova tecnologiasemseprivardetodososseusbenefícios?"A Inter- netcontinuafuncionandoporquehámaisgentequerendosua permanênciaquegentequerendoseufim",sugereEndy. Ele mostraumafotono anopassado."Olhe. Eles sãofelizesees- tãocriandocoisasboaseconstrutivas,enãonovasespéciesde vírusou armasbiológicas.No fim,criarumasociedadecapaz deusaratecnologiaconstrutivamenteéummeiodelidarcom osriscosdessatecnologia." Maseletambémachaquefazsentidorealizarumaconferência paradiscutirosproblemaspotenciais.'Acreditoqueseriatotalmente adequadorealizarumareuniãocomoadeAsilomarparadiscutira situaçãoatualefuturadatecnologiabiológica",diz.Emjunho,quan- dolíderesnoassuntoseencontraremparacompartilharsuasidéias maisrecentessobreoquejáépossívelcriar,talvezreselVemparte dotempoparapensarsobreoquenãodevesercriado. (,i1 w. Wayt Gibbs é redatorde SCIENTIFICAMERICAN PARACONHECERMAIS An ExpandedEuka'1loticGeneticCode.Jason W.Chinetai. emScience,Vol. 301,págis.964-967;15deagostode2003. GeneticCircuitBuildingBlocks for CellularComputation,Communications, andSignalProcessing.RonWeissetaI.emNatural Computing,Vol.2, No.1, págs.47-84;2003. BiologiaSintéticanoMIT:syntheticbiology.org M.I.T.RegistryofStandardBiologicalParts:parts.mit.edu SCIENTIFIC AMERICANBRASIL 71
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