O biólogo Craig Venter é conhecido por ter criado genomas sintéticos de vírus e bactérias, e este cientista tinha um objetivo ainda mais ambicioso: reduzir ao mínimo o conjunto de genes em um ser simples e, ainda assim, mantê-lo vivo.
Ele conseguiu: o syn3.0 é um genoma sintético de bactéria que é menor do que qualquer outro encontrado na natureza. Os biólogos esperam que isso nos ajude a entender os mecanismos fundamentais da vida, e que isso inspire a criação de novos tipos de vida artificial.
O genoma é “radicalmente minimalista” porque tem apenas 473 genes – número mínimo necessário para esta célula bacteriana sustentar as funções mais básicas da vida, incluindo a reprodução. Humanos têm cerca de 20.000 genes; enquanto uma bactéria como a E. coli possui 4.500. Os detalhes foram publicados na revista Science.
Por que criar um genoma mínimo?
O projeto pode soar estranho, mas há alguns bons motivos para criar um genoma mínimo. Biólogos vão estudá-lo para entender melhor como organismos complexos evoluíram a partir de outros mais simples. Isso pode ser usado para analisar as funções básicas da vida, e para catalogar genes essenciais dentro das células.
Isso também será importante no campo emergente da biologia sintética, cujo objetivo é criar organismos artificiais. Os pesquisadores poderiam usar isso como um modelo básico para inserir funções não-existentes na natureza: por exemplo, bactérias que podem comer resíduos tóxicos, microrganismos que funcionam como remédios no interior do corpo, e biocombustíveis feitos de componentes orgânicos.
De fato, o objetivo do experimento foi criar um genoma básico para os cientistas estudarem a vida e usarem como um “chassis” para acrescentar novos conjuntos de genes. Em tese, o syn3.0 pode servir como base para criar praticamente qualquer tipo de célula com recursos personalizados.
Como explica Dan Gibson, coautor do estudo, a visão de longo prazo é “projetar e construir organismos sintéticos sob demanda”, além de “acrescentar funções e prever resultados”. Isso poderia ter muitas aplicações industriais na medicina, nutrição, agricultura, entre outros.
Vale notar que o syn3.0, por si só, muito provavelmente não iria sobreviver fora do laboratório. Ele teria dificuldade em competir com outras bactérias na natureza porque não consegue se adaptar ao meio ambiente – os traços que permitiriam fazer isso foram removidos.
Um projeto de duas décadas
Este projeto, liderado por Venter e pelo microbiologista Clyde Hutchison, começou há quase 20 anos, durante o primeiro sequenciamento de um genoma bacteriano. Na época, os biólogos começaram a especular sobre um genoma mínimo hipotético (HMG) para as células e outros organismos simples. Em 1995, teorizou-se que o genoma da célula bacteriana mínima consistiria de 256 genes. Venter e seus amigos decidiram testar essa hipótese.
Como Venter explicou durante uma conferência à imprensa, “a única maneira de compreender o genoma mínimo é realmente sintetizar um genoma”. Seis anos atrás, sua equipe atingiu esse objetivo após projetar, montar e gerar uma célula bacteriana sintética autorreplicante derivada da bactéria Mycoplasma mycoides (tecnicamente falando, ela não foi concebida a partir do zero). O syn1.0 tinha 901 genes.
Na época, Venter descreveu a conquista como “a primeira espécie… cujos pais eram um computador”. O experimento provou que genomas podem ser concebidos em um computador, quimicamente criados em laboratório e transplantados para um receptor celular, e que essas células conservam a sua capacidade de reprodução.
O próximo passo foi simplificar a M. mycoides a seus elementos essenciais. Venter achou que isso demoraria cerca de um ano, mas o processo acabou sendo incrivelmente árduo, exigindo um total de cinco anos. “Mesmo com a sequência em mãos, decifrar o sistema de funcionamento da célula foi uma tarefa difícil”, disse Venter.
Como reduzir o genoma
Primeiro, a equipe classificou os genes em três categorias: essenciais para a vida, quase-essenciais (necessários para o crescimento, não para a vida em si), e não-essenciais. Então, eles usaram um método para testar o impacto da ausência de cada gene.
Usando técnicas avançadas, os pesquisadores reduziram o genoma ao seu menor tamanho possível em uma célula capaz de se dividir. A antiga recordista, a bactéria natural Mycoplasma genitalium, tem 525 genes; a bactéria sintética syn3.0 tem apenas 473 – segundo os pesquisadores, “menor do que a de qualquer célula se replica sozinha encontrada na natureza”.
É importante notar aqui que certos genes são “não-essenciais” individualmente, mas não em conjunto. Ou seja, você pode remover um único gene não-essencial sem problemas, mas não pode retirar todos de uma vez, ou a bactéria não vive. Como explica a Economist, “em alguns casos, um gene não-essencial cobre a função de outro. Se muitos deles forem removidos, a bactéria morre”.
De fato, durante o processo, a remoção de alguns genes “não-essenciais” causou problemas imprevistos. Certos genes tiveram de ser mantidos no genoma mínimo, apesar de não terem função conhecida ou óbvia.
No total, os pesquisadores não foram capazes de determinar a função de 149 genes, quase um terço de todo o genoma. Eles suspeitam que esses genes têm algo a ver com a codificação de proteínas universais, mas não estão inteiramente certos. Esta será uma alta prioridade para a próxima fase do projeto.
Além disso, os pesquisadores tiveram que incluir um número significativo de genes quase-essenciais, que não são necessários para as funções básicas da vida. Tecnicamente falando, o genoma poderia ser ainda menor, mas o crescimento celular seria tão lento e trabalhoso a ponto de tornar a célula inútil para experimentos científicos. Ou seja, durante o processo de miniaturização, há uma troca entre o tamanho do genoma e a taxa de crescimento.
Isso mostra como é importante ter uma visão centrada no genoma como um todo, em vez de se concentrar em cada gene. “A vida é mais como uma orquestra do que um único músico”, disse Hutchison. “Às vezes você não descobre a essencialidade até remover um segundo gene.”
[Science via The Economist]
Imagens por Hutchison et al., 2016/Science