A evolução é o processo de engenharia de sistemas biológicos na natureza. Dentro das células, ocorrem muitas variações de DNA, RNA e proteínas, e a seleção natural favorece os organismos que funcionam de forma mais eficiente. Os humanos têm usado esse processo há muito tempo. Os primeiros agricultores influenciaram a evolução ao escolher quais culturas e animais reproduzir, permitindo que as plantas e animais mais produtivos transmitissem as suas características.
Hoje, os cientistas aplicam princípios semelhantes em laboratório através de uma técnica conhecida como evolução dirigida. Os pesquisadores o utilizam para melhorar proteínas como enzimas e anticorpos que desempenham papéis importantes na medicina, na fabricação industrial e até mesmo em produtos de uso diário, como sabão em pó.
Limites da evolução dirigida tradicional
Apesar do seu sucesso, os métodos padrão de evolução dirigida têm uma limitação importante. Eles geralmente impõem uma pressão de seleção constante que favorece proteínas altamente ativas em todos os momentos. No entanto, os sistemas biológicos reais raramente funcionam desta forma. Muitas proteínas atuam como sinais, interruptores moleculares ou “portas lógicas” (proteínas que combinam múltiplas entradas para tomar uma decisão sim-não-não), o que significa que devem mudar de estado à medida que o estado muda.
Por exemplo, uma proteína pode ser brevemente ativada, depois desligada e depois ligada novamente. Quando o teste de evolução recompensa apenas um único estado, outros estados necessários podem ser degradados. Como resultado, as proteínas podem perder a capacidade de serem modificadas adequadamente, o que pode ser prejudicial à célula (por exemplo, matar uma célula). Devido a este desafio, a criação de proteínas com comportamento complexo de vários estados tem se mostrado difícil com os métodos de evolução dirigida existentes.
Uma estratégia baseada na luz para a evolução das proteínas
Pesquisadores liderados por Sahand Jamal Rahi, do Laboratório de Física de Sistemas Biológicos da EPFL, introduziram um novo método chamado “optoevolução”. Esta abordagem utiliza luz para impulsionar a evolução de proteínas que podem executar funções dinâmicas e até mesmo executar tarefas computacionais simples que seguem regras de sim ou não.
Pesquisa, publicada célulaA evolução dirigida ajuda a aproximar o funcionamento normal das células. Nos sistemas vivos, o tempo e a alternância entre estados são tão importantes quanto a força de um sinal.
Engenharia de células de levedura para selecionar as melhores proteínas
Para desenvolver o seu sistema, os investigadores utilizaram a levedura Saccharomyces cerevisiae, um organismo amplamente utilizado tanto na produção de betel como na investigação científica. Eles redesenharam o ciclo celular da levedura para que a divisão celular dependesse do comportamento evoluído das proteínas. A sobrevivência celular requer que as proteínas alternem de forma limpa entre os estados ativo e inativo.
Os cientistas associaram o sinal de saída da proteína a um regulador que controla o ciclo celular. Este regulador é essencial em um ponto, mas tóxico em outro. Se a proteína ficar ligada ou desligada por muito tempo, a célula de levedura irá parar ou morrer. Apenas as células contendo proteínas que são alteradas no momento certo continuam a se dividir.
Usando a luz para controlar a evolução em tempo real
A luz forneceu um meio de controlar esse processo com precisão. Os pesquisadores usaram a optogenética, técnica que utiliza luz para ativar ou desativar genes. Ao fornecer pulsos de luz cronometrados, eles forçaram a proteína a alternar entre estados.
Cada ciclo celular de levedura dura cerca de 90 minutos, permitindo um rápido teste de aprovação ou reprovação para saber se a proteína mudou no momento certo. As proteínas com desempenho ideal permitiram que as células sobrevivessem e se reproduzissem, enquanto variantes pouco modificadoras foram eliminadas. Isso permite que a optoevolução selecione automaticamente proteínas com comportamento dinâmico aprimorado, sem triagem manual ou ajustes repetidos.
Novas variantes de proteínas e sensibilidade de cor expandida
Usando a optovolução, a equipe produziu uma variedade de proteínas. Eles primeiro desenvolveram um fator de transcrição regulado pela luz comumente usado. Os pesquisadores criaram 19 novas variantes que mostraram maior sensibilidade à luz, redução da atividade no escuro ou capacidade de responder à luz verde em vez de apenas à luz azul. A engenharia de proteínas que respondem a cores mais quentes que o azul tem sido considerada extremamente difícil devido à forma como essas proteínas absorvem a luz.
Os cientistas também desenvolveram um sistema optogenético de luz vermelha para que as células de levedura não precisem mais de um cofator químico adicional. A evolução cria uma mutação que desativa uma proteína normal de transporte de levedura. Essa mudança inesperada permitiu que o sistema utilizasse moléculas sensíveis à luz já presentes no interior das células, tornando o sistema mais fácil de usar em experimentos.
Proteínas que agem como pequenos computadores
Estudos demonstraram que a fotoevolução pode ir além das proteínas sensíveis à luz. Os pesquisadores criaram um fator de transcrição que atua como um computador de proteína única. Ele ativa genes apenas quando duas entradas diferentes estão presentes ao mesmo tempo – um sinal luminoso e um sinal químico.
O comportamento dinâmico das proteínas é essencial para muitos processos biológicos, incluindo a detecção de mudanças ambientais, a tomada de decisões dentro da célula e a regulação da divisão celular. Ao permitir que estes comportamentos evoluam continuamente dentro das células vivas, a optovolução oferece novas possibilidades para a biologia sintética, a biotecnologia e a investigação básica.
A técnica poderia ajudar os cientistas a projetar circuitos celulares mais inteligentes, criar ferramentas optogenéticas que respondem de forma independente a diferentes cores de luz e compreender melhor como a evolução cria comportamentos complexos de proteínas.
Outros contribuidores
- Laboratório EPFL de Engenharia de Proteínas e Células
- Universidade de Bayreuth
- Hospital Universitário de Lausanne (CHUV)
