Os cientistas há muito sonham em descobrir a química que pode transformar produtos químicos em vida. Na quarta-feira, uma equipe da Universidade de Minnesota anunciou que havia dado um grande passo em direção a essa visão.
Ao misturar dezenas de ingredientes, os pesquisadores sintetizaram células simples que comem, crescem, se reproduzem e competem entre si por alimento. Se essas células ainda não estiverem totalmente vivas, elas possuem a maioria das características da vida.
“A vida não é binária”, disse Kate Adamla, bióloga sintética que liderou a pesquisa. “Portanto, estou hesitante em chamá-lo de ‘vivo’. Não há uma linha clara, por mais que gostaríamos que fosse.”
Até agora, os cientistas nunca dominaram a receita de uma célula que possa desempenhar tantas funções, disse John Glass, biólogo sintético do Instituto J. Craig Venter em La Jolla, Califórnia, que não esteve envolvido na investigação.
“É incrível que ele tenha juntado essas coisas”, disse ele.
“É uma célula que é feita, não que nasce. É feita, mas faz o que as células fazem”, disse o biólogo sintético Drew Endy, da Universidade de Stanford.
Dr. Adamla chamou sua criação de Spudcell, devido à sua aparência de batata. Em vez de patentear, ele e o Dr. Andy estão mobilizando uma comunidade de cientistas para se concentrar em tornar as spudcells mais vivas e adaptá-las a novos tipos de experimentos.
Eles e seus colegas estabeleceram um Organização de pesquisa sem fins lucrativos Isso, segundo estimativas do Dr. Andy, custará ao esforço dezenas de milhões de dólares na próxima década. Espera-se que centenas de cientistas compareçam.
“Vamos nos lembrar deste momento”, disse Rosena Xia, bióloga computacional da Universidade do Missouri que não esteve envolvida no projeto.
Adamala e seus colegas Dr. Uma conta de 190 páginas é publicada O trabalho deles está online. A pesquisa está sendo revisada para publicação em revista científica.
Os cientistas esperam que as células artificiais possam dizer-lhes coisas sobre a vida que as células naturais não conseguem, incluindo quantos genes são necessários para uma forma mínima de vida.
Mas as células artificiais também poderão um dia ser projetadas para fazer coisas que as células naturais não conseguem, como produzir novos tipos de medicamentos ou extrair grandes quantidades de dióxido de carbono da atmosfera. Em teoria, as spudcells projetadas poderiam produzir uma vasta gama de proteínas que as células naturais não conseguem produzir, ou mesmo produtos químicos tão tóxicos quanto o combustível de foguete.
Agora, “podemos pensar em fazer química e raramente ficarmos tontos”, diz o Dr. Glass.
Os problemas da vida como a conhecemos: complicações misteriosas e confusas. Nosso próprio DNA contém milhares de genes, bem como milhões de interruptores moleculares que ligam e desligam esses genes. Cientistas Quase não existe uma fórmula como Quais são muitos desses pedaços de DNA? Freqüentemente, um gene que eles acham que entendem está desempenhando outras funções além das esperadas pelos cientistas.
Uma maneira de evitar essa complexidade é simplificar.
Na década de 1990, uma equipe liderada pelo falecido biólogo Craig Venter começou a estudar micróbios que tinham menos de 1.000 genes. Agora, a equipe liderada pelo Dr. Glass reduziu o genoma do germe a 525 genes essenciais.
Em um artigo de 2016, a equipe disse que não sabia O que um terço desses genes estava fazendo. Dr. Glass e seus colegas passaram a última década tentando resolver o quebra-cabeça, e ainda não conseguem dizer o que 56 deles fazem.
“Ainda existem tarefas significativas que cada célula tem de realizar e que não conhecemos”, disse o Dr. Glass.
Outros pesquisadores abordaram o problema na direção oposta. Em vez de trabalhar de cima para baixo, eles trabalharam de baixo para cima, procurando reunir moléculas não vivas para formar uma célula viva.
Desde a década de 1990, vários laboratórios decifraram pequenos pedaços do problema. Alguns deles contêm a receita perfeita para criar bolhas ocas a partir de moléculas oleosas. Outros encontraram maneiras de encerrar moléculas genéticas simples dentro dessas bolhas.
Mas os cientistas lutaram para reunir essas peças em um sistema mais complexo, e muito menos em algo que pudesse ser chamado de célula.
Nos últimos anos, o Dr. Adamla assumiu um desafio fundamental: a divisão celular. Uma célula natural se divide com a ajuda de proteínas que se unem em um anel ancorado em sua parede interna. O próprio anel se aperta, dividindo a célula em duas.
Outras proteínas agem como guinchos, movendo DNA e outras moléculas para dentro das células em formação, para que tenham o material necessário para sobreviver.
No início, o Dr. Adamla tentou criar uma versão simplificada do sistema natural. Mas então ele decidiu não simular células reais.
Os biofísicos descobriram que, se prenderem proteínas numa membrana, criam uma pressão que dobra a membrana. Dr. Adamla e sua equipe criaram bolhas que podem reter proteínas flutuando ao seu redor. Quando uma bolha coleta proteína suficiente, sua superfície começa a se curvar para dentro até se dividir em duas.
Embora o conceito fosse simples, foi necessário um ano de testes para funcionar em laboratório. “Mas uma vez que funciona, funciona”, disse o Dr. Adamala.
Esse sucesso levou a equipe a tentar criar uma célula totalmente sintética.
O primeiro passo foi criar um caldo de moléculas necessárias para operar uma célula. Em última análise, a receita inclui cerca de cem tipos de proteínas e moléculas simples necessárias para reações químicas importantes, como a produção de novas proteínas a partir de genes.
Os pesquisadores também forneceram às suas células sintéticas um vírus e genes emprestados da onipresente bactéria Escherichia coli. Eles escolheram 36 genes para tarefas básicas como copiar DNA.
Depois de misturar esses ingredientes em uma sopa, os cientistas adicionam os blocos de construção da membrana. Eles espontaneamente se amontoaram na bolha, cada um engolindo um pouco de sopa.
Muitas dessas bolhas ligam a mistura certa de genes, proteínas e outras moléculas e começam a conduzir as reações químicas observadas em células reais.
À medida que as novas células flutuavam no frasco, o Dr. Adamla e seus colegas acrescentaram comida. As células liberam pequenas moléculas através de canais em sua superfície.
Os cientistas também colocaram pequenas bolhas carregadas de proteínas e outras moléculas que eram grandes demais para passarem pelos canais. Ao empurrar e fundir-se em uma dessas bolhas, a célula pode se alimentar do alimento de seu interior.
Eles crescem à medida que as células se alimentam. E em apenas algumas horas, eles eram grandes o suficiente para serem compartilhados.
Os cientistas adicionaram uma proteína especial aos frascos, que grudou na superfície das células e as forçou a se curvar para dentro. Depois que a célula se divide em duas, o novo par de células cresce.
Agora as spudcells cresceram, alimentaram-se e reproduziram-se. Descobriu-se que as células tinham até a capacidade rudimentar de evoluir.
Adamla e seus colegas criaram uma versão mutante que se ligava mais firmemente às bolhas cheias de salgadinhos que flutuavam ao seu redor. Para testar isso, eles criaram uma mistura 50-50 de spudcells originais e mutantes.
As células competiram por comida durante cinco gerações. Eventualmente, os mutantes superam os originais, sugerindo que eles estão superando os originais por comida.
“Esse é o avanço aqui”, disse o Dr. Xia. “Os cientistas serão capazes de colocar diferentes células sintéticas em competição entre si e desenvolver rapidamente células mais sofisticadas”.
Apesar de toda essa evidência de vida, Spudcell ainda tem algumas falhas importantes. Para começar, não consegue construir as fábricas moleculares que produzem novas proteínas, chamadas ribossomas. As células podem carregar todos os genes necessários para formar ribossomos, mas por alguma razão as partes não se encaixam.
Por enquanto, o Dr. Adamla e seus colegas precisam alimentar ribossomos prontos para formar células. No entanto, esta solução tem uma data de validade: as Spudcells podem produzir proteínas durante cinco a 10 gerações antes de falharem porque os seus ribossomas são defeituosos.
“Não quero dizer que morre, mas para de funcionar”, disse o Dr. Adamla.
Quando o Dr. Adamla mostrou o spudcell ao Dr. Andy no ano passado, ele ficou tão surpreso que decidiu ajudá-lo a fundar a Biotic, uma organização sem fins lucrativos que visa criar uma comunidade de pesquisadores do spudcell.
“Estou investindo nisso o trabalho da minha vida”, diz o Dr. Andy. Uma das primeiras tarefas da Biotic será facilitar a criação de spudcells por outros cientistas.
Dr. Adamla pode fazer um novo lote deles em cerca de um dia em seu próprio laboratório. Mas isso é só porque seu freezer está cheio de proteína pura e ela entende profundamente cada etapa da receita. A Biotic espera fornecer aos cientistas receitas simples e ingredientes essenciais.
Endy espera que as ferramentas de código aberto encorajem os cientistas a colaborar na criação de novos tipos de spudcells com características mais específicas da vida, como a capacidade de produzir os seus próprios ribossomas e de se dividirem indefinidamente.
“É inteiramente possível”, disse Glass.
Os biopesquisadores já estão planejando seu primeiro encontro em setembro, na Filadélfia. Serão formalizados planos para garantir esta área de pesquisa no topo de sua lista de prioridades.
Por enquanto, as células sintéticas só podem sobreviver algumas gerações com uma dieta especial de laboratório. Mas versões futuras poderão ser ainda mais poderosas, levantando a possibilidade de que alguém possa um dia usar SpudCells de forma antiética, até mesmo para criar uma arma.
Dr. Endy argumenta que uma comunidade de pesquisa de código aberto estaria melhor preparada para evitar que isso aconteça. “Podemos ter essas conversas agora, em vez de esperar que outra pessoa faça isso, e então estaremos todos respondendo”, disse ele.
Andy comparou o Spudcell a uma versão biológica do Wright Flyer, o avião rudimentar usado pelos irmãos Wright para fazer o primeiro vôo controlado sustentado em 1903, inaugurando a era da aviação.
“Você não consegue um 737 se o passageiro certo voar por 12 segundos”, disse Endy. “Este é apenas o começo.”
