Notícia

Pesquisadores dão um passo para a criação de materiais controlados por genes artificiais

Fonte

Universidade Johns Hopkins

Data

terça-feira, 23 agosto 2022 09:35

Áreas

Bioinformática. Biomedicina. Bioquímica. Biotecnologia. Genética. Genoma. Modelagem Matemática.

Os genes dos seres humanos trabalham juntos para regular como as células se comportam. Se os cientistas pudessem criar genes artificiais que pudessem realizar as mesmas funções, mas operar dentro de materiais em vez de organismos, uma ampla variedade de novos materiais de diagnóstico e autocura seria possível.

Uma equipe liderada pela Dra. Rebecca Schulman, engenheira da Universidade Johns Hopkins, nos Estados Unidos, está lançando as bases para esse trabalho de engenharia de sistemas químicos sintéticos que podem emular os comportamentos complexos das redes de genes naturais. O trabalho foi publicado na revista científica Nature Chemistry.

“As células usam genes para decidir como se mover, crescer e agir, e eles são controlados pela química em vez da eletrônica”, disse a professora Rebecca Schulman, que é professora de Engenharia Química e Biomolecular e pesquisadora do Instituto de NanoBiotecnologia da Escola de Engenharia da Universidade Johns Hopkins.

O corpo humano compreende cerca de 25.000 genes, e as interações químicas que esses genes usam para regular as células têm muitas etapas e partes móveis. Os pesquisadores aprenderam que não precisam recriar meticulosamente cada uma dessas etapas biológicas naturais para criar análogos de genes sintéticos capazes de realizar as mesmas funções. Para prever melhor o comportamento dos análogos de genes, a professora Schulman e sua equipe criaram um kit de ferramentas moleculares que inclui genelets (genes cujas funções podem variar, dependendo das instruções) e modelos matemáticos simplificados que preveem como os genelets se comportarão.

O sistema genelet simplificado da equipe usa DNA, a soma das informações genéticas de um organismo; RNA, que transmite informações genéticas para as partes de uma célula que produzem proteínas; uma enzima polimerase que transcreve o DNA para fazer cópias de RNA; e uma enzima RNase que degrada o RNA. Usando apenas esses elementos simples, o sistema da equipe da Dra. Rebecca Schulman pode se adaptar e se redefinir conforme o ambiente muda, assim como os genes naturais do corpo.

“Um dos desafios é que os componentes que compõem o DNA e o RNA nem sempre se comportam como previsto. Além disso, alguns componentes, como as enzimas polimerases, são simples e fáceis de trabalhar, mas difíceis de controlar. Isso dificulta a engenharia de sistemas [para que os genelets] resultem nos resultados que desejamos.”

Para evitar reações indesejadas, a equipe de pesquisa criou um modelo matemático simples que assume que todos os componentes se comportam da mesma maneira. Então, para construir um sistema químico que siga a previsão do modelo simples, eles identificaram sistematicamente reações indesejadas e as suprimiram, modificando regiões de DNA de fita simples.

“Normalmente, reações indesejadas decorrem da enzima polimerase, pois é bastante reativa aos componentes do DNA”, disse o Dr. Samuel Schaffter, autor principal do trabalho e ex-aluno da Universidade Johns Hopkins. Ele é um bolsista de pós-doutorado no National Institute of Standards and Technology.

A equipe rastreou componentes potenciais para a atividade que eles queriam e omitiu aqueles que se desviavam significativamente do desempenho esperado. Isso, combinado com as modificações químicas para evitar reações indesejadas, produziu uma biblioteca de cerca de 15 genelets com desempenho padrão universal.

Eles usaram esses componentes padrão para projetar redes que executam as principais tarefas observadas nas células, como tarefas que orientam as células durante o desenvolvimento, bem como redes com capacidade de memória. Os resultados se alinharam notavelmente bem com suas previsões de modelos simples, indicando o poder da engenharia usando componentes com desempenho padronizado.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para usar esses sistemas químicos para controlar o comportamento de nanoestruturas, nanopartículas e hidrogéis, que podem ser usados ​​em diagnósticos avançados e, talvez, um dia, em eletrônica autorregenerativa. Eles esperam que este kit de ferramentas inspire novas aplicações em outros grupos de pesquisa e desenvolveram um pacote de software disponível no GitHub. Os usuários podem simular rapidamente qualquer rede e produzir as sequências de DNA para testar no laboratório.

“Queremos tornar este sistema o mais fácil possível para outros pesquisadores usarem…. estamos convergindo para um sistema que não é mais limitado por desafios experimentais e nosso objetivo é ter como única limitação a imaginação do pesquisador”, concluiu a Dra. Rebecca Schulman.

Acesse o pacote de software no GitHub.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Johns Hopkins (em inglês).

Fonte: Samuel Schaffter e Gina Wadas, Universidade Johns Hopkins. Imagem: rawpixel via Freepik.

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