Praticamente todos os organismos vivos constroem suas proteínas a partir de combinações de 20 aminoácidos diferentes. Para adicionar novos aminoácidos à mistura, os cientistas reprojetaram genes e outras partes do maquinário de construção de proteínas, resultando em proteínas com propriedades químicas únicas, úteis na fabricação de medicamentos. Mas o trabalho é trabalhoso e normalmente só pode adicionar um novo aminoácido por vez.
Agora, os pesquisadores abriram as comportas para fazer muito mais. Eles relatam hoje que uma ampla reescrita do genoma de uma bactéria permite que eles adicionem vários novos aminoácidos a uma proteína. O trabalho pode abrir novas maneiras de sintetizar antibióticos e drogas antitumorais.
“Estou muito impressionado com este artigo”, disse Chang Liu, biólogo sintético da Universidade da Califórnia, Irvine. “É um marco significativo no arco da reengenharia do código genético.”
O novo esforço está em andamento há décadas. Uma abordagem inicial para criar proteínas projetadas tem sido comandar componentes celulares produtores de proteínas e fazê-los inserir aminoácidos não naturais. Quando as células produzem proteínas, o código de DNA de A, C, G e T é primeiro copiado para o RNA (no qual U substitui T). O RNA é lido como uma série de palavras de três letras, conhecidas como códons, a maioria das quais codifica um dos 20 aminoácidos naturais a serem inseridos na proteína. Mas como há 64 códons de três letras, há duplicatas: Seis códons, por exemplo, codificam o aminoácido serina. Três códons não codificam um aminoácido; em vez disso, eles instruem as células a pararem de construir proteínas.
Inicialmente, os pesquisadores inseriram aminoácidos não naturais fazendo com que a maquinaria celular adicionasse um sempre que visse um códon de parada específico. Embora essa abordagem tenha se tornado mais sofisticada, geralmente ela ainda pode inserir apenas um aminoácido por proteína, diz Jason Chin, biólogo sintético do Laboratório de Biologia Molecular do Conselho de Pesquisa Médica.
Na esperança de adicionar mais, Chin e seus colegas procuraram reaproveitar dois dos seis códons que normalmente codificam para serina. Em um estudo de 2019, os pesquisadores usaram a ferramenta de edição de genes CRISPR-Cas9 para criar uma cepa de Escherichia coli conhecida como Syn61 . Para fazer isso, eles substituíram mais de 18.000 códons de serina no genoma de 4 milhões de bases da bactéria. Os pesquisadores substituíram UCG e UCA – e o códon de parada UAG – por seus “sinônimos”, AGC, AGU e UAA, respectivamente. Isso significava que a serina ainda seria incorporada aos pontos corretos das proteínas em crescimento do Syn61. Mas os códons UCG, UCA e UAG agora eram efetivamente “espaços em branco” que não codificavam mais nada na proteína e, portanto, estavam prontos para serem reaproveitados.
Esse redirecionamento é o que Chin e seus colegas conseguiram agora. Trabalhando com o Syn61, os cientistas deletaram genes para moléculas chamadas RNAs de transferência (tRNAs) que reconhecem UGC e UCA e inserem serina em uma proteína em crescimento. Eles também removeram o composto químico que desativa a síntese de proteínas em resposta ao códon de parada UAG. Os pesquisadores então adicionaram de volta genes com novos tRNAs que inseririam aminoácidos não naturais sempre que encontrassem UGC, UCA ou UAG. Finalmente, eles escreveram esses códons de volta no genoma, onde queriam que os aminoácidos não naturais aparecessem. Isso permitiu que eles adicionassem três aminoácidos não naturais de uma vez em proteínas individuais , relataram os pesquisadores na Science . Eles também podem escrever várias cópias de cada um.
“Isso realmente causou um impacto”, diz Abhishek Chatterjee, biólogo sintético do Boston College. As mudanças permitiram que Chin e seus colegas juntassem os novos aminoácidos em uma série de estruturas cíclicas que se assemelhavam muito aos antibióticos e drogas antitumorais existentes. E como existem dezenas de diferentes aminoácidos não naturais para escolher, uma miríade de combinações poderia ser inserida dessa maneira. Isso abre a porta para a criação de vastas bibliotecas de novos medicamentos em potencial, diz Chatterjee. Chin acrescenta que os pesquisadores também podem estender a estratégia para redirecionar outros códons redundantes para adicionar ainda mais novos aminoácidos – e mais variedade química – à mistura.
Talvez tão interessante quanto, diz Liu, seja o que as mudanças no genoma significam para os vírus que normalmente infectam a E. coli . Em 2013, os pesquisadores relataram que a reengenharia dos códons de parada de E. coli poderia interromper a capacidade de replicação dos vírus . Isso ocorreu porque os vírus dependem dos códons naturais de E. coli para fazer proteínas funcionais. A estratégia não era infalível para impedir infecções virais, porque os códons de parada não ocorrem com tanta frequência e alguns vírus foram capazes de evoluir para contornar as mudanças.
Mas os vírus normalmente requerem muito mais serinas em cada proteína. Como o Syn61 modificado não inseriu mais serina quando sua maquinaria de construção de proteína leu os códons UCG ou UCA, os vírus não conseguiram fazer o Syn61 construir proteínas virais funcionais, impedindo-os de se reproduzir nas células bacterianas.
“Isso parece muito mais robusto” do que a abordagem anterior, diz Liu. Isso, acrescenta, pode ser uma bênção para as empresas de biotecnologia que buscam proteger os organismos modificados que produzem medicamentos ou outros produtos químicos valiosos.