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Genes em células vivas são ativados ou não
Os cientistas criaram um método sistemático para estudar e até mesmo prever a expressão gênica - sem o uso de células. Usando sua abordagem inovadora e quantitativa, eles mediram parâmetros importantes que governam a regulação gênica. Isso permitiu que eles projetassem e construíssem uma porta lógica biológica sintética, que poderia um dia ser usada para introduzir novas funções nas células.
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Engenharia de função celular sem células vivas
Genes em células vivas são ativados - ou não - por proteínas chamadas fatores de transcrição. Os mecanismos pelos quais essas proteínas ativam certos genes e desativam outros desempenham um papel fundamental em muitos processos biológicos. No entanto, esses mecanismos são extremamente complexos e os cientistas têm passado anos tentando desvendar seus segredos.Os cientistas geralmente estudam a expressão gênica introduzindo seqüências específicas de DNA nas células e observando como as células reagem. Mas esse método de trabalho intensivo é complicado e pode variar de um experimento para outro. Em um passo importante, os cientistas do Laboratório de Caracterização de Redes Biológicas da EPFL (LBNC), liderado por Sebastian Maerkl, desenvolveram um método quantitativo e replicável para estudar e até mesmo predizer a expressão gênica. Ele usa um sistema sem células em combinação com um dispositivo microfluídico de alto rendimento. O trabalho deles permitiu que eles construíssem uma porta lógica biológica sintética que poderia um dia ser usada para modificar as funções celulares. A pesquisa foi publicada no PNAS.
Microcanais e processos livres de células
Nadanai Laohakunakorn, co-autor do estudo, explica como o método funciona: “Primeiro, extraímos material de dentro das células. Este sistema 'livre de células' consiste em enzimas e substâncias químicas que as células usam para realizar seus processos biológicos normais. Curiosamente, podemos reiniciar a expressão gênica fora da célula alimentando o extrato com combustível e informações, na forma de fosfatos de alta energia e DNA. Como o processo imita de perto o que acontece nas células vivas, podemos usar nossa plataforma para investigar uma série de fenômenos biológicos sem ter que modificar células vivas a cada vez. ”Para seu estudo quantitativo da expressão gênica, os cientistas examinaram milhares de reações livres de células em um chip microfluídico - isto é, um dispositivo usado para manipular quantidades microscópicas de líquido. "Fomos capazes de testar vários cenários diferentes e construir uma biblioteca quantitativa de fatores de transcrição sintéticos, o que nos permitiu prever a influência de uma determinada proteína em um gene", diz Zoe Swank, outro coautor do estudo. "Nosso método pode ser estendido para construir sistemas bastante complicados".
O método dos cientistas tem várias vantagens. Primeiro, os sistemas livres de células podem imitar sistemas dentro das células, mas são muito mais simples e seus mecanismos podem ser modelados matematicamente. Isso significa que eles podem ajudar a contribuir para a compreensão de fenômenos biológicos mais complexos, dividindo-os em partes mais simples.
Segundo, os sistemas livres de células são robustos e permanecem estáveis após o congelamento (e até liofilização), o que permite que eles sejam produzidos em larga escala e implantados em aplicações de baixo custo de diagnóstico à produção sob demanda de produtos biológicos - como como vacinas - para medicina personalizada. E terceiro, porque eles não estão vivos, os sistemas livres de células podem ser usados para produzir compostos que vão além do escopo dos métodos tradicionais de biomanufatura. E eles não apresentam risco de auto-replicação ou biocontaminação fora do ambiente de laboratório.
A porta lógica biológica
Como parte de seu estudo, os pesquisadores reuniram vários genes de sua biblioteca para construir uma porta lógica biológica. Na eletrônica, um gate lógico recebe uma entrada de sinais eletrônicos, realiza uma computação e gera uma saída binária: um ou zero. Da mesma forma, a porta lógica biológica dos cientistas recebe uma entrada de fatores de transcrição e gera uma saída binária: o gene está ligado (ativado) ou desligado (reprimido)."Numerosas portas lógicas existem naturalmente dentro das células vivas, que as utilizam para regular a função biológica normal", diz Laohakunakorn. “Ao construir portões artificiais, ganhamos a capacidade de introduzir novas funções nas células para fins terapêuticos, por exemplo. O sistema sem células é um primeiro passo nessa direção, e trabalhos futuros poderiam envolver a otimização do projeto de nossos fatores de transcrição usando a plataforma, antes de implantá-los diretamente em um aplicativo livre de células, ou reintroduzi-los de volta em células vivas.”
FONTE: Engineering cellular function without living cells