Em um passo à frente para a engenharia genética e a biologia sintética, os pesquisadores modificaram uma linhagem de Escherichia coli as bactérias sejam imunes a infecções virais naturais, ao mesmo tempo em que minimizam o potencial para que as bactérias ou seus genes modificados escapem para a natureza.
O trabalho promete reduzir as ameaças de contaminação viral ao aproveitar bactérias para produzir remédios como insulina e outras substâncias úteis, como biocombustíveis. Atualmente, os vírus que infectam tanques de bactérias podem interromper a produção, comprometer a segurança dos medicamentos e custar milhões de dólares.
Os resultados são publicados em 15 de março em Natureza.
“Acreditamos ter desenvolvido a primeira tecnologia para projetar um organismo que não pode ser infectado por nenhum vírus conhecido”, disse o primeiro autor do estudo, Akos Nyerges, pesquisador em genética no laboratório de George Church no Blavatnik Institute em Harvard. Faculdade de Medicina e Instituto Wyss para Engenharia de Inspiração Biológica.
“Não podemos dizer que é totalmente resistente a vírus, mas até agora, com base em extensos experimentos de laboratório e análises computacionais, não encontramos um vírus que possa quebrá-lo”, disse Nyerges.
O trabalho também fornece a primeira medida de segurança integrada que impede que o material genético modificado seja incorporado às células naturais, disse ele.
Os autores disseram que seu trabalho sugere um método geral para tornar qualquer organismo imune a vírus e impedir o fluxo de genes para dentro e para fora de organismos geneticamente modificados (OGMs). Essas estratégias de biocontenção são de interesse crescente à medida que os grupos exploram a implantação segura de OGMs para o cultivo, reduzindo a propagação de doenças, gerando biocombustíveis e removendo poluentes de ambientes abertos.
Construindo sobre o que veio antes
As descobertas se baseiam em esforços anteriores de engenheiros genéticos para obter uma bactéria útil, segura e resistente a vírus.
Em 2022, um grupo da Universidade de Cambridge pensou ter feito uma E. coli estirpe imune a vírus. Mas então Nyerges se uniu ao pesquisador Siân Owen e à estudante de pós-graduação Eleanor Rand no laboratório do coautor Michael Baym, professor assistente de informática biomédica no Instituto Blavatnik da HMS. Quando eles experimentaram sites locais repletos de E. coli, incluindo galinheiros, ninhos de ratos, esgoto e o rio Muddy na rua do campus da HMS, eles descobriram vírus que ainda podem infectar as bactérias modificadas.
Descobrir que as bactérias não eram totalmente resistentes ao vírus “foi uma chatice”, disse Nyerges.
O método inicial envolvia a reprogramação genética E. coli para fazer todas as proteínas que sustentam a vida a partir de 61 conjuntos de blocos de construção genéticos, ou códons, em vez dos 64 que ocorrem naturalmente. A ideia era que os vírus não seriam capazes de sequestrar as células porque não poderiam se replicar sem os códons ausentes .
A equipe do HMS, no entanto, descobriu que a exclusão de códons não era suficiente. Alguns vírus estavam trazendo seu próprio equipamento para contornar as peças que faltavam.
Então, Nyerges e seus colegas desenvolveram uma maneira de mudar o que esses códons dizem a um organismo para fazer – algo que os cientistas não haviam feito até esse ponto em células vivas.
Perdido na tradução
A chave está nos RNAs de transferência, ou tRNAs.
A função de cada tRNA é reconhecer um códon específico e adicionar o aminoácido correspondente a uma proteína que está sendo construída. Por exemplo, o códon TCG diz ao seu tRNA correspondente para anexar o aminoácido serina.
Nesse caso, a equipe de Cambridge excluiu o TCG junto com o códon irmão TCA, que também requer serina. A equipe também removeu os tRNAs correspondentes.
A equipe do HMS agora adicionou novos tRNAs trapaceiros em seu lugar. Quando esses tRNAs veem TCG ou TCA, eles adicionam leucina em vez de serina.
“A leucina é tão diferente da serina quanto possível, física e quimicamente”, disse Nyerges.
Quando um vírus invasor injeta seu próprio código genético cheio de TCG e TCA e tenta dizer ao E. coli para produzir proteínas virais, esses tRNAs bagunçam as instruções do vírus.
Inserir os aminoácidos errados resulta em proteínas virais mal dobradas e não funcionais. Isso significa que o vírus não pode se replicar e infectar mais células.
Os vírus, no entanto, também vêm equipados com seus próprios tRNAs. Estes ainda podem transformar com precisão TCG e TCA em serina. Mas Nyerges e seus colegas forneceram evidências de que os tRNAs trapaceiros que eles introduziram são tão bons em seus trabalhos que superam seus equivalentes virais.
“Foi muito desafiador e uma grande conquista demonstrar que é possível trocar o código genético de um organismo”, disse Nyerges, “e que só funciona se fizermos dessa maneira”.
O trabalho pode ter superado o último obstáculo ao tornar uma bactéria imune a todos os vírus, embora ainda haja uma chance de aparecer algo que possa quebrar a proteção, disseram os autores.
A equipe confia em saber que superar os códons trocados exigiria que um vírus desenvolvesse dezenas de mutações específicas ao mesmo tempo.
“Isso é muito, muito improvável para a evolução natural”, disse Nyerges.
Medidas de segurança
O trabalho incorpora duas salvaguardas separadas.
O primeiro protege contra a transferência horizontal de genes, um fenômeno que ocorre constantemente no qual trechos de código genético e suas características acompanhantes, como resistência a antibióticos, são transferidos de um organismo para outro.
Nyerges e seus colegas causaram um curto-circuito nesse resultado, fazendo substituições em todos os genes no gene modificado. E. coli células de modo que todos os códons que exigem leucina foram substituídos por TCG ou TCA – os códons que em um organismo não modificado exigiriam serina. As bactérias ainda produziram leucina corretamente nesses lugares por causa de seus tRNAs trapaceiros.
No entanto, se outro organismo incorporasse qualquer um dos trechos modificados em seu próprio genoma, os tRNAs naturais do organismo interpretariam TCG e TCA como serina e acabariam com proteínas inúteis que não transmitem nenhuma vantagem evolutiva.
“A informação genética será sem sentido”, disse Nyerges.
Da mesma forma, a equipe mostrou que se um dos E. coliOs tRNAs trapaceiros são transferidos para outro organismo, sua leitura incorreta de códons de serina como códons de leucina danifica ou mata a célula, impedindo a disseminação.
“Quaisquer tRNAs modificados que escaparem não irão muito longe porque são tóxicos para os organismos naturais”, disse Nyerges.
O trabalho representa a primeira tecnologia que impede a transferência horizontal de genes de organismos geneticamente modificados para organismos naturais, disse ele.
Para o segundo à prova de falhas, a equipe projetou as próprias bactérias para serem incapazes de viver fora de um ambiente controlado.
A equipe usou uma tecnologia existente desenvolvida pelo laboratório da Igreja para fazer o E. coli dependente de um aminoácido feito em laboratório que não existe na natureza. Os trabalhadores que cultivam estes E. coli produzir insulina, por exemplo, iria alimentá-los com o aminoácido não natural. Mas se alguma bactéria escapasse, ela perderia o acesso a esse aminoácido e morreria.
Portanto, nenhum humano ou outra criatura corre o risco de ser infectado por “superbactérias”, enfatizou Nyerges.
Nyerges espera explorar a reprogramação de códons como uma ferramenta para persuadir bactérias a produzir materiais sintéticos clinicamente úteis que, de outra forma, exigiriam uma química cara. Outras portas ainda não foram abertas.
“Quem sabe o que mais?” ele meditou. “Acabamos de começar a explorar.”