Saltar para o conteúdo

Quatro novas letras de DNA dobram o alfabeto da vida



O DNA sintético parece se comportar como a variedade natural, sugerindo que substâncias químicas além das quatro bases familiares da natureza poderiam sustentar a vida na Terra.

O DNA da vida na Terra armazena naturalmente sua informação em apenas quatro substâncias químicas - guanina, citosina, adenina e timina, comumente chamadas de G, C, A e T, respectivamente.

Agora, os cientistas duplicaram esse número de blocos de construção da vida, criando pela primeira vez uma linguagem genética sintética de oito letras que parece armazenar e transcrever informações como o DNA natural.

Em um estudo publicado em 22 de fevereiro na Science 1 , um consórcio de pesquisadores liderado por Steven Benner, fundador da Fundação para a Evolução Molecular Aplicada em Alachua, na Flórida, sugere que um alfabeto genético expandido poderia, em teoria, também apoiar a vida.

"É um verdadeiro marco", diz Floyd Romesberg, biólogo químico do Scripps Research Institute em La Jolla, Califórnia. O estudo sugere que não há nada particularmente "mágico" ou especial sobre esses quatro produtos químicos que evoluíram na Terra, diz Romesberg. "Isso é um avanço conceitual", acrescenta ele.

Normalmente, como um par de filamentos de DNA se enrolam em uma dupla hélice, os produtos químicos em cada filamento se unem: A liga-se a T e C se liga a G.

Por muito tempo, os cientistas tentaram adicionar mais pares desses produtos químicos, também conhecidos como bases, a esse código genético. Por exemplo, Benner criou pela primeira vez bases 'não naturais' nos anos 80. Outros grupos seguiram, com o laboratório de Romesberg fazendo manchetes em 2014 depois de inserir um par de bases não naturais em uma célula viva.

Mas o último estudo é o primeiro a demonstrar sistematicamente que as bases não naturais complementares reconhecem e se ligam umas às outras, e que a dupla hélice que elas formam mantém sua estrutura.

A equipe de Benner, que inclui pesquisadores de várias empresas e instituições dos EUA, criou as letras sintéticas ajustando a estrutura molecular das bases regulares. As letras do DNA se combinam porque formam ligações de hidrogênio: cada uma contém átomos de hidrogênio, que são atraídos por átomos de nitrogênio ou oxigênio em seus parceiros. Benner explica que é um pouco como os blocos de Lego que se encaixam quando os buracos e as pontas se alinham.

Ajustando esses buracos e pinos, a equipe criou vários novos pares de bases, incluindo um par chamado S e B, e outro chamado P e Z 2 . No último artigo, eles descrevem como combinam essas quatro bases sintéticas com as naturais. Os pesquisadores chamam a língua de oito letras resultante de "hachimoji" depois das palavras em japonês para "oito" e "carta". As bases adicionais são cada uma similar em forma a uma das quatro naturais, mas têm variações em seus padrões de ligação.

Os pesquisadores então conduziram uma série de experimentos que mostraram que suas seqüências sintéticas compartilham propriedades com DNA natural que são essenciais para apoiar a vida.

Recuperação de dados

Para funcionar como um sistema de armazenamento de informações, o DNA tem que seguir regras previsíveis, então a equipe primeiro demonstrou que, de maneira similar às bases regulares, as bases sintéticas formavam pares de maneira confiável. Eles criaram centenas de moléculas do DNA sintético e descobriram que as letras se ligavam aos seus parceiros de maneira previsível.

Eles então mostraram que a estrutura das hélices duplas permaneceu estável não importando a ordem em que as bases sintéticas estivessem. Isso é importante porque, para que a vida evolua, as sequências de DNA precisam ser capazes de variar sem que toda a estrutura se desfaça. Usando a difração de raios X, a equipe mostrou que três seqüências diferentes do DNA sintético mantiveram a mesma estrutura quando cristalizadas.

Este é um avanço substancial, diz Philipp Holliger, um biólogo sintético do Laboratório de Biologia Molecular da MRC em Cambridge, Reino Unido, porque outros métodos de expansão do alfabeto genético não são tão estruturalmente sólidos. Em vez de substâncias químicas que usam ligações de hidrogênio para emparelhar, essas outras abordagens usam moléculas que repelem a água como base. Estes podem ser colocados em intervalos entre as letras naturais, mas a estrutura do DNA se quebra se eles são colocados em uma linha.

Finalmente, a equipe mostrou que o DNA sintético poderia ser fielmente transcrito em RNA. "A capacidade de armazenar informações não é muito interessante para a evolução", diz Benner. "Você tem que ser capaz de transferir essa informação em uma molécula que faz alguma coisa."

Converter o DNA em RNA é um passo fundamental para traduzir a informação genética em proteínas, os laboriosos da vida. Mas algumas seqüências de RNA, conhecidas como aptâmeros, podem se ligar a moléculas específicas.

A equipe de Benner criou DNA sintético que codifica um certo aptâmero e depois confirmou que a transcrição havia ocorrido e a sequência de RNA funcionava corretamente.

Holliger diz que o trabalho é um ponto de partida emocionante, mas ainda há uma distância substancial a percorrer antes de se chegar a um verdadeiro sistema genético sintético de oito letras. Uma questão-chave, por exemplo, será se o DNA sintético pode ser replicado pelas polimerases, as enzimas responsáveis ​​pela síntese do DNA dentro dos organismos durante a divisão celular. Isso foi demonstrado por outros métodos, como o de Romesberg, que usa bases repelentes de água.

Variedade de vida

Ainda assim, Benner diz que o trabalho mostra que a vida poderia ser sustentada por bases de DNA com estruturas diferentes das quatro que conhecemos, o que poderia ser relevante na busca por assinaturas de vida em outras partes do Universo.

Adicionar letras ao DNA também pode ter mais aplicações reais.

Com mais diversidade nos blocos de construção genética, os cientistas poderiam criar sequências de RNA ou DNA que podem fazer coisas melhores que as quatro letras padrão, incluindo funções além do armazenamento genético.

Por exemplo, o grupo de Benner mostrou anteriormente que as cadeias de DNA que incluíam Z e P eram melhores em se ligar às células cancerígenas do que as seqüências com apenas quatro bases padrão 3 . E Benner montou uma empresa que comercializa DNA sintético para uso em diagnósticos médicos.

Os pesquisadores poderiam usar seu DNA sintético para criar novas proteínas e também RNA. A equipe de Benner também desenvolveu outros pares de novas bases, abrindo a possibilidade de criar estruturas de DNA que contenham 10 ou até 12 letras. Mas o fato de os pesquisadores já terem expandido o alfabeto genético para oito é, em si, notável, diz Romesberg. "Já está dobrando o que a natureza tem."doi: 10.1038 / d41586-019-00650-8Referências

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00650-8