Pesquisadores das Universidades de Bristol e Hamburgo criaram bactérias com reservas internas de nutrientes que podem ser acessadas quando necessário para sobreviver a condições ambientais extremas. As descobertas, publicadas na ACS Biologia Sintéticaabrem caminho para biotecnologias mais robustas baseadas em micróbios modificados.
A Biologia Sintética permite aos cientistas redesenhar organismos, aproveitando suas capacidades para levar a soluções inovadoras que vão desde a produção sustentável de biomateriais até a detecção avançada de patógenos e doenças.
O Dr. Thomas Gorochowski, co-autor sênior e bolsista de pesquisa da Royal Society University na Escola de Ciências Biológicas de Bristol, disse: “Muitos dos sistemas biológicos projetados que criamos até agora são frágeis e quebram facilmente quando removidos das condições cuidadosamente controladas de no laboratório. Isso dificulta a implantação e a expansão.”
Para resolver esse problema, a equipe concentrou-se na ideia de acumular reservas de proteína dentro das células quando os tempos são bons e, em seguida, quebrá-las quando as condições são difíceis e nutrientes adicionais são necessários.
Klara Szydlo, primeira autora e estudante de doutorado na Universidade de Hamburgo, elaborou: “As células requerem blocos de construção como aminoácidos para funcionar e sobreviver. Modificamos as bactérias para ter uma reserva protegida que poderia ser quebrada e liberada quando os nutrientes tornou-se escasso no ambiente mais amplo. Isso permitiu que as células continuassem funcionando quando os tempos eram difíceis e as tornou mais resistentes a quaisquer desafios inesperados que enfrentassem.”
Para criar esse sistema, a equipe projetou bactérias para produzir proteínas que não poderiam ser usadas diretamente pela célula, mas que eram reconhecidas por máquinas moleculares chamadas proteases. Quando os nutrientes flutuam no ambiente, essas proteases podem ser chamadas para liberar os aminoácidos que compõem a reserva de proteínas. Os aminoácidos liberados permitiram que as células continuassem crescendo, mesmo que o ambiente carecesse dos nutrientes necessários. O sistema agia de forma semelhante a uma bateria biológica que a célula poderia usar quando a energia elétrica fosse cortada.
O Dr. Gorochowski acrescentou: “Desenvolver um sistema como este é difícil porque há muitos aspectos diferentes do projeto a serem considerados. Qual deve ser o tamanho da reserva de proteína? Com que rapidez isso precisa ser quebrado? Que tipo de flutuação ambiental isso causaria? abordagem funciona? Tínhamos muitas perguntas e nenhuma maneira fácil de avaliar as diferentes opções.”
Para contornar esse problema, a equipe construiu um modelo matemático que permitiu simular muitos cenários diferentes e entender melhor onde o sistema funcionava bem e onde falhava. Descobriu-se que era necessário um equilíbrio cuidadoso entre o tamanho da reserva de proteína, a velocidade de sua quebra quando necessário e o período de tempo em que os nutrientes eram escassos. É importante ressaltar que o modelo também mostrou que, se a combinação certa desses fatores estivesse presente, a célula poderia ser completamente protegida das mudanças no ambiente.
A professora Zoya Ignatova, autora sênior conjunta do Instituto de Bioquímica e Biologia Molecular da Universidade de Hamburgo, concluiu: “Conseguimos demonstrar como o gerenciamento cuidadoso de reservas de recursos celulares essenciais é uma abordagem valiosa para a engenharia de bactérias que precisam operar em ambientes desafiadores. Essa capacidade se tornará cada vez mais importante à medida que implantamos nossos sistemas em configurações complexas do mundo real e nosso trabalho ajuda a pavimentar o caminho para células projetadas mais robustas que podem operar de maneira segura e previsível.”
Este estudo foi financiado pelo programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia sob a Marie Sk?odowska-Curie Action, BBSRC, ESPRC e Royal Society.