Os vídeos caseiros da infância podem ser emocionantes, hilários ou francamente embaraçosos. Mas as fitas contêm um recurso inestimável: trechos da jornada de uma criança enquanto ela aprende a navegar pelo mundo. Claro, as fotos também podem capturar um primeiro aniversário ou uma primeira queda de bicicleta, mas em vez de um filme, são instantâneos e únicos no tempo.
Os cientistas há muito procuram incorporar “filmadoras” de DNA nas células para capturar sua história. Como as crianças, as células crescem, se diversificam e amadurecem à medida que interagem com o ambiente. Essas mudanças estão incorporadas na atividade genética de uma célula e, ao reconstruí-las ao longo do tempo, os cientistas podem inferir o estado atual de uma célula – por exemplo, ela está se tornando cancerosa?
A tecnologia “aprofundaria o conhecimento sobre a biologia do desenvolvimento e do câncer que poderia ser traduzido em estratégias terapêuticas”, disseram o Dr. Nozomu Yachie e colegas da Universidade da Colúmbia Britânica.
O problema? O processo de gravação, até o momento, consistiu apenas em instantâneos únicos e destruiu a célula, impossibilitando o rastreamento de seu crescimento.
Agora, uma equipe liderada pelo Dr. Seth Shipman no Gladstone Institutes projetou um gravador biológico – apelidado de Retro-Cascorder – que, como uma câmera de vídeo da velha escola, pode capturar o histórico de expressão genética de uma célula em uma “fita” de DNA por dias a fio. Graças ao CRISPR, essas “fitas” são então integradas ao genoma da célula, que pode ser lida posteriormente.
Os dados resultantes não são exatamente os vídeos caseiros mais engraçados da América. Em vez disso, é mais um livro que documenta vários sinais biológicos e os armazena ordenadamente em ordem cronológica.
“Esta nova maneira de coletar dados moleculares nos dá uma janela sem precedentes para as células”, disse Shipman. Além de espionar a história de desenvolvimento de uma célula – por exemplo, como ela se diversificou de uma célula-tronco comum – adicionar Retro-Cascorder poderia transformar células normais em biossensores vivos que monitoram poluição, vírus ou outros contaminantes, ao mesmo tempo testando a capacidade do DNA como um dispositivo de armazenamento de dados confiável.
A ascensão das fitas de DNA
Por que rastrear o histórico de uma célula?
Imagine uma célula quando criança. A partir de um óvulo fertilizado, ela cresce, muda sua aparência externa – em uma célula da pele ou um neurônio, por exemplo – e, no caso das células reprodutivas, passa informações genéticas para seus filhos. A jornada de uma célula pela vida não é definida apenas por sua genética – em vez disso, como suas instruções genéticas serão realizadas depende de interações com seus vizinhos celulares e com o mundo exterior: dieta, exercícios, estresse e qualquer coisa que seu hospedeiro humano experimente.
Esses estímulos da natureza e da criação acionam uma célula para ativar um certo padrão de genes – um processo apelidado de expressão gênica. Todas as nossas células abrigam o mesmo conjunto de genes; o que os torna diferentes é quais estão ligados ou desligados. A expressão gênica é extremamente poderosa: pode mudar a identidade, a função e, finalmente, os processos biológicos que governam a vida de uma célula.
Seria ótimo dar uma olhada em seu funcionamento interno.
Usando tecnologias “ômicas” – isto é, analisando milhões de células ao mesmo tempo para expressão gênica, metabolismo ou outros estados – podemos obter um instantâneo de alta resolução de um grupo de células em um determinado momento. Embora poderoso, o processo destrói a amostra. A razão é porque a leitura das informações de expressão gênica armazenadas nas células, um método apelidado de RNAseq, requer a quebra do envelope gorduroso e borbulhante da célula para acessar e extrair as moléculas. Imagine apontar o Telescópio James Webb para qualquer ponto no espaço, sabendo que o telescópio irá obliterar qualquer coisa que vir – sim, não é ótimo.
As fitas de DNA adotam uma abordagem diferente. Como um editor de vídeo, elas “marcam” os eventos de uma célula com um código de barras composto de letras de DNA – um pouco como um carimbo de data/hora. Shipman não é estranho ao uso de DNA como dispositivo de armazenamento. Em 2017, trabalhando com o biólogo sintético Dr. George Church em Harvard e equipe, eles codificaram um filme digital no genoma de bactérias vivas usando CRISPR.
Diário de DNA
O novo estudo tinha um objetivo relativamente simples: como uma câmera acionada por movimento, começar a gravar sempre que um gene específico fosse ativado.
Para projetar o Retro-Cascorder, a equipe se voltou para um elemento genético enigmático, os retrons. Estes são pequenos pedaços de DNA bacteriano que confundiram os cientistas por décadas, antes de perceberem que fazem parte do sistema imunológico de uma bactéria. Em 2021, o coautor do estudo, Church, transformou os retrons de uma estranha peculiaridade bacteriana em uma ferramenta de edição de genes que pode rastrear milhões de variações de DNA e acompanhar seus efeitos ao mesmo tempo. Crucialmente, eles perceberam que os retrons podem ser usados como marcadores para marcar uma mudança genética específica no tempo.
Aqui, a equipe começou projetando retrons para produzir etiquetas de DNA específicas – como imprimir uma série de códigos de barras para marcar pacotes. As etiquetas estão ligadas a promotores de DNA, que, como um semáforo, dão à célula permissão para ativar um gene.
Quando um gene é ativado, o retron gera automaticamente um código de barras exclusivo que certifica sua atividade. É um processo de várias etapas: a etiqueta, originalmente codificada no DNA, é primeiro transcrita em RNA pela célula e depois reescrita de volta em “recibos” de DNA pelos retrons.
Pense em uma caixa registradora de restaurante. Isso equivale a imprimir um pedido, em um determinado momento, com um recibo.
Depois de verificar se a tecnologia funciona conforme o esperado, a equipe passou a fazer “filmes” de uma célula usando tags baseadas em retron. Não é um vídeo no sentido tradicional: a equipe ainda precisava analisar os códigos de barras ao final de uma sessão de gravação – cerca de 24 horas – para reprodução, o que destrói as células.
Manter o controle das mudanças de expressão gênica em um instantâneo no tempo é relativamente simples. Manter o controle das mesmas mudanças ao longo de um dia é muito mais difícil. Para construir uma espécie de “memória” para o gravador, a equipe recorreu ao CRISPR-Cas. Aqui, as matrizes CRISPR atuam como o diário, enquanto os retrons funcionam como entradas diárias. Os recibos de DNA, gerados por retrons, são incorporados a uma matriz CRISPR. Como fitas cassete, elas contêm dados seguidos por espaçadores, como uma tela preta, para ajudar a separar os eventos. À medida que novas informações são adicionadas, os espaçadores anteriores se afastam da entrada mais próxima, tornando possível decifrar uma linha do tempo de eventos.
As células com a capacidade de usar o CRISPR para gravar dados genéticos “podem gravar progressivamente eventos celulares… em fitas de DNA”, disse Yachie.
Em uma prova de conceito, a equipe introduziu o Retro-Cascorder na Escherichia coli (E. Coli), a bactéria favorita do laboratório, por meio de engenharia genética. Incorporar a nova construção foi um bom sinal para os cientistas, pois sugeriu pouco estresse ou toxicidade para as células.
Eles então ativaram um ou ambos os promotores de DNA usando produtos químicos, como clicar em “gravar” em um Walkman. Ao longo de 48 horas, o sistema registrou alterações na expressão gênica conforme o esperado na matriz CRISPR. Depois de aprofundar a sequência de matrizes CRISPR – ou seja, lê-los de volta depois – eles descobriram que o histórico da célula progrediu conforme o esperado.
Uma história inteira de você
A nova fita de DNA é como gravar pequenos trechos de um filme ao longo do tempo. Mas está estranhamente editado. Embora o Retro-Cascorder possa dizer a sequência de ativações de genes, ele não pode identificar o lapso de tempo entre dois eventos adjacentes. Como em um vídeo caseiro, um clipe de um ensaio de dança seguido de um jantar pode ser no mesmo dia; ou com anos de diferença.
Mas em comparação com as tentativas anteriores, a fita é um salto tecnológico, com melhores sinais, maior duração de gravação e melhor reprodução.
“Este ainda não é um sistema perfeito, mas achamos que ainda será melhor do que os métodos existentes, que permitem medir apenas um evento por vez”, disse Shipman.
A corrida pelo documentário de célula perfeito começou, e a maioria tem o CRISPR no centro. Para Yachie, uma maneira é substituir o bom-ole’-CRISPR por editores de base ou CRISPR prime, que causam menos danos ao genoma da célula. O “VCR” biológico – que lê a expressão registrada de um gene – também precisa de uma atualização, potencialmente alimentada por uma melhor capacidade de computação.
Quando mais aperfeiçoados, os gravadores de DNA podem nos ajudar a rastrear a trajetória de desenvolvimento de minicérebros e outros organoides, estudar células cancerosas à medida que evoluem, monitorar poluentes ambientais nas células – tudo sem colocar vidas em risco.
