Caulobacter crescentus - uma bactéria segura que vive em água doce em todo o mundoTodos os genomas conhecidos de organismos são armazenados em um banco de dados pertencente ao Centro Nacional de Informações Biotecnológicas dos Estados Unidos. Agora o banco de dados tem uma entrada: Caulobacter ethensis-2.0 . Este é o primeiro genoma de organismo vivo totalmente informatizado do mundo, desenvolvido por cientistas da ETH Zurich . Deve-se enfatizar que, embora o genoma de Caulobacter ethensis-2.0 tenha sido fisicamente obtido na forma de uma molécula de DNA muito grande, o organismo correspondente ainda não existe.
O Caulobacter ethensis-2.0 é baseado no genoma da bactéria de água doce bem estudada e segura
Caulobacter crescentus , encontrada naturalmente em águas de nascentes, rios e lagos ao redor do mundo. Não causa nenhuma doença.
Caulobacter crescentus também
é um organismo modelo comumente usado em laboratórios de pesquisa para estudar a vida das bactérias. O genoma desta bactéria contém 4000 genes. Os cientistas mostraram anteriormente que apenas cerca de 680 desses genes são cruciais na sobrevivência de bactérias em laboratório.
Beat Kristen, professor de biologia de sistemas experimentais na ETH Zurich, e seu irmão Matthias Kristen, químico na ETH Zurich, tomaram como base o genoma mínimo de
Caulobacter crescentus . Eles pretendiam sintetizar quimicamente esse genoma do zero como um cromossomo em anel contínuo. Essa tarefa é considerada realmente difícil: um genoma bacteriano sintetizado quimicamente, introduzido há 11 anos pelo pioneiro americano da genética
Craig Venter , foi o resultado de 10 anos de trabalho de 20 cientistas. Eles dizem que o projeto custou US $ 40 milhões.
Simplifique o processo de montagem
Enquanto o grupo Venter fez uma cópia exata do genoma natural, os cientistas da ETH Zurich alteraram radicalmente o genoma usando um algoritmo de computador. Sua motivação era dupla: uma para facilitar a síntese de genomas e a segunda para resolver problemas fundamentais da biologia.
Para criar uma molécula de DNA do tamanho de um gene bacteriano, os cientistas devem agir passo a passo. No caso do genoma de
Caulobacter , os cientistas da ETH Zurich sintetizaram 236 fragmentos do genoma, que foram posteriormente costurados. "A síntese desses fragmentos nem sempre é simples", explica Matthias Kristen. “As moléculas de DNA não apenas têm a capacidade de aderir a outras moléculas de DNA, mas, dependendo da sequência, elas também podem se torcer em laços e nós, o que pode complicar o processo de síntese ou torná-lo impossível”, explica Matthias Kristen.
Genomas simplificados
Para sintetizar fragmentos do genoma da maneira mais simples e, em seguida, reunir todos os fragmentos da maneira mais correta, os cientistas simplificaram radicalmente a sequência do genoma sem alterar as informações genéticas reais (no nível das proteínas). Existem muitas possibilidades para simplificar os genomas porque a biologia possui reservas internas para armazenar informações genéticas. Por exemplo, muitos aminoácidos têm duas, quatro ou mais possibilidades de gravar suas informações no DNA.
Um algoritmo desenvolvido por cientistas da ETH Zurich faz uso otimizado dessa redundância do código genético. Usando esse algoritmo, eles calcularam a seqüência de DNA mais econômica para sintetizar e construir o genoma, que eles usaram em seu trabalho.
Genoma Caulobacter ethensis-2.0 in vitroComo resultado, os cientistas fizeram muitas pequenas alterações no genoma mínimo, o que, no entanto, é impressionante: mais de um sexto das 800.000 letras de DNA no genoma artificial foram substituídas em comparação com o genoma mínimo "natural". “Graças ao nosso algoritmo, reescrevemos completamente nosso genoma em uma nova sequência de letras de DNA que não se parece mais com a sequência original. No entanto, a função biológica no nível da proteína foi preservada ”, diz Beat Kristen.
Teste decisivo em genética
O gene reescrito também é interessante do ponto de vista biológico. "Nosso método é um teste decisivo para verificar se os biólogos entendem a genética corretamente e nos permite destacar possíveis lacunas em nosso conhecimento", explica Beat Kristen. Naturalmente, o genoma transcrito pode conter apenas informações que os pesquisadores realmente entenderam. As possíveis informações extras "ocultas" que estão na sequência do DNA e ainda não foram compreendidas pelos cientistas seriam perdidas no processo de síntese do novo código.
Os cientistas desenvolveram cepas de bactérias que contêm o genoma natural de
Caulobacter e fragmentos do novo genoma artificial. Ao desativar alguns genes naturais nessas bactérias, os cientistas conseguiram testar a função dos genes artificiais. Eles testaram cada um dos genes artificiais em um processo de várias etapas.
Nessas experiências, os cientistas descobriram que apenas cerca de 580 dos 680 genes artificiais eram funcionais. "Com o conhecimento, podemos melhorar nosso algoritmo e desenvolver uma versão totalmente funcional do genoma 3.0", diz Beat Kristen.
Gigante potencial em biotecnologia
"Apesar do fato de a versão atual do genoma ainda não ser perfeita, nosso trabalho mostra que os sistemas biológicos são construídos de maneira tão simples que, no futuro, seremos capazes de desenvolver especificações de projetos em um computador de acordo com nossos objetivos e depois construí-los." - diz Matias Kristen. E isso pode ser obtido de uma maneira relativamente simples, como Beat Kristen enfatiza: "O que levou dez anos para Craig Venter, nosso pequeno grupo, se apresentou usando nossa nova tecnologia em um ano, com custos de apenas 120.000 francos suíços".
"Acreditamos que em breve também será possível produzir células bacterianas funcionais com esse genoma", diz Beat Kristen. Esse desenvolvimento terá um grande potencial. Entre possíveis usos futuros estão os microrganismos sintéticos que podem ser usados em biotecnologia, por exemplo, na síntese de moléculas ou vitaminas farmaceuticamente ativas complexas. A tecnologia pode ser aplicada universalmente a todos os microorganismos, e não apenas ao Caulobacter . Outra possibilidade seria a produção de vacinas de DNA.
“Não importa o quão promissores sejam os resultados da pesquisa e suas possíveis aplicações, eles exigem um profundo entendimento dos propósitos para os quais essa tecnologia pode ser usada e, ao mesmo tempo, como evitar abusos”, diz Beat Kristen. Ainda não está claro quando será obtida a primeira bactéria com um genoma artificial, mas agora está claro que ela pode ser obtida e se desenvolverá. “Precisamos usar o tempo que temos para intensas discussões entre cientistas, bem como na sociedade como um todo. Estamos prontos para contribuir com essa discussão com todo o know-how que temos. ”