Com seus olhos curiosos, focinho peludo e pele exuberante, o rato - apelidado de Xiao Zhu, ou Pequeno Bambu - agilmente empoleirado em uma haste de bambu, fazendo uma bela pose para a câmera. Mas este rato não existe na natureza.
Feito em um laboratório em Pequim, Xiao Zhu ultrapassa os limites do que é possível para a engenharia genética e a biologia sintética. Em vez de abrigar os habituais 20 pares de cromossomos, o camundongo e seus irmãos têm apenas 19 pares. Dois pedaços de cromossomos diferentes foram fundidos artificialmente em um experimento ousado que perguntou: em vez de ajustar letras de DNA individuais ou vários genes, podemos reajustar um manual genômico existente por atacado, embaralhando blocos maciços de material genético ao mesmo tempo?
É uma ideia de luar. Se o genoma é um livro, a edição de genes é como a edição de cópias – alterando um erro de digitação aqui e ali ou corrigindo vários erros gramaticais com ajustes cuidadosamente colocados.
A engenharia em nível de cromossomo é uma fera completamente diferente: é como reorganizar vários parágrafos ou mudar seções completas de um artigo e, simultaneamente, esperar que as alterações adicionem recursos que possam ser passados para a próxima geração.
Reprogramar a vida não é fácil. A composição do DNA de Xiao Zhu é construída a partir de letras genéticas já otimizadas por eras de pressão evolutiva. Não é surpresa que mexer em um livro genômico estabelecido muitas vezes resulte em uma vida que não é viável. Até agora, apenas leveduras sobreviveram ao rearranjo de seus cromossomos.
A novo estudo, publicado em Ciência, tornou a tecnologia possível para ratos. A equipe fundiu artificialmente pedaços de cromossomos de camundongos. Um par fundido feito dos cromossomos quatro e cinco foi capaz de sustentar embriões que se desenvolveram em camundongos saudáveis – ainda que de comportamento um tanto estranho. Notavelmente, mesmo com essa mudança tectônica para sua genética normal, os camundongos puderam se reproduzir e transmitir suas peculiaridades genéticas projetadas para uma segunda geração de descendentes.
“Pela primeira vez no mundo, conseguimos um rearranjo cromossômico completo em mamíferos, fazendo um novo avanço na biologia sintética”. dito autor do estudo Dr. Wei Li na Academia Chinesa de Ciências.
De certa forma, a técnica imita a evolução em velocidade vertiginosa. Com base nos dados existentes sobre as taxas de mutação, o tipo de troca genética introduzido aqui geralmente levaria milhões de anos para ser alcançado naturalmente.
O estudo não é perfeito. Alguns genes nos camundongos modificados foram anormalmente ajustados, assemelhando-se a um padrão geralmente visto na esquizofrenia e no autismo. E embora os camundongos crescessem até a idade adulta e pudessem criar filhotes saudáveis, a taxa de natalidade era muito menor do que a de seus pares não modificados.
Mesmo assim, o estudo é um tour de force, dito o biólogo evolucionista Dr. Harmit Malik, do Fred Hutchinson Cancer Center, em Seattle, que não esteve envolvido no estudo. Agora temos este “belo kit de ferramentas” para abordar questões pendentes sobre mudanças genômicas em maior escala, potencialmente lançando luz sobre doenças cromossômicas.
Espere, o que são cromossomos novamente?
O trabalho explora o manual genético de longa data da evolução para a construção de novas espécies.
Vamos voltar. Nossos genes são codificados em cadeias de dupla hélice de DNA, que se assemelham a fitas que flutuam dentro da célula. Não é eficiente em termos de espaço. A solução da natureza é enrolar cada corrente em torno de um carretel de proteína, como fatias de presunto enroladas em um palito de mussarela. Torções adicionais embalam essas estruturas em pequenos discos – contas de imagens em uma corda – que depois se enrolam em cromossomos. Sob o microscópio, eles se parecem principalmente com a letra X.
Cada espécie carrega um determinado número de cromossomos. As células humanas – exceto espermatozóides e óvulos – abrigam 46 cromossomos individuais organizados em 23 pares, herdados de cada pai. Os ratos de laboratório, em contraste, têm apenas 20 pares. O conjunto completo de cromossomos é chamado de cariótipo, derivado da palavra grega “núcleo” ou “semente”.
Misturar e combinar cromossomos faz parte da evolução há muito tempo. De acordo com as estimativas atuais, um roedor geralmente acumula aproximadamente 3.5 rearranjos cromossômicos a cada milhão de anos; alguns segmentos são excluídos, outros duplicados ou embaralhados. Para os primatas, a taxa de mudança é cerca de metade disso. Mudar pedaços de cromossomos pode parecer drástico para qualquer animal, mas quando viável, as mudanças abrem caminho para a evolução de espécies totalmente diferentes. Nosso cromossomo dois, por exemplo, foi fundido a partir de dois separados, mas o ajuste não está presente no gorila, nosso primo evolutivo próximo.
O novo estudo pretendia fazer algo melhor do que a evolução: usando a engenharia genética, perguntava, podemos condensar milhões de anos de evolução em apenas alguns meses? Não é apenas por curiosidade científica: doenças cromossômicas estão por trás de alguns de nossos enigmas médicos mais difíceis, como a leucemia infantil. Os cientistas já haviam desencadeado o rearranjo cromossômico usando radiação, mas os resultados não eram facilmente controláveis, impossibilitando os animais de gerar novos descendentes. Aqui, os biólogos sintéticos adotaram uma abordagem mais direcionada.
O primeiro passo é descobrir por que os cromossomos são resistentes a grandes mudanças em sua organização. Como se vê, um grande problema para trocar – ou fundir – pedaços de cromossomos é uma peculiaridade biológica chamada imprinting.
Recebemos cromossomos de ambos os pais, com cada conjunto contendo genes semelhantes. No entanto, apenas um conjunto está ligado. Como o processo de impressão funciona permanece misterioso, mas sabemos que ele limita a capacidade das células embrionárias de se desenvolverem em vários tipos de células maduras e limita seu potencial para engenharia genética.
De volta a 2018, a mesma equipe descobriu que a exclusão de três genes pode anular o programa bioquímico de impressão em células-tronco. Aqui, eles usaram essas células-tronco “desbloqueadas” para unir geneticamente dois pares de cromossomos.
Eles primeiro fixaram seus olhos nos cromossomos um e dois, os dois maiores em um genoma de camundongo. Usando o CRISPR, a equipe separou os cromossomos, permitindo que eles trocassem pedaços genéticos e se transformassem em construções genéticas estáveis. As células que abrigavam a alteração cromossômica foram então injetadas em ovócitos – óvulos. Os embriões resultantes foram transplantados em camundongos fêmeas substitutos para amadurecer ainda mais.
A troca foi mortal. O cromossomo artificial, com o cromossomo dois seguido pelo cromossomo um, ou 2+1, matou o feto em desenvolvimento apenas 12 dias após a concepção. Os mesmos dois cromossomos fundidos na direção oposta, 1+2, tiveram mais sorte, produzindo filhotes vivos com apenas 19 pares de cromossomos. Os camundongos bebês eram anormalmente grandes para seu tamanho e, em vários testes, pareciam mais ansiosos do que seus pares normais.
Um segundo experimento de fusão cromossômica se saiu melhor. Os cromossomos 4 e 5 são muito menores em tamanho, e o embrião resultante - apelidado de 4 + 5 - se desenvolveu em filhotes de camundongos saudáveis. Embora também não tenham um par de cromossomos, eles pareciam surpreendentemente normais: não eram tão ansiosos, tinham peso corporal médio e, quando maduros, deram à luz filhotes que também não tinham um par de cromossomos.
Em outras palavras, a equipe projetou um novo cariótipo em uma espécie de mamífero que poderia ser transmitido por gerações.
Um novo mundo de biologia sintética?
Para Malik, é tudo uma questão de escala. Ao superar o problema do imprinting, “o mundo é sua ostra no que diz respeito à engenharia genética”, ele dito para The Scientist.
O próximo objetivo da equipe é usar a tecnologia para resolver doenças cromossômicas difíceis, em vez de projetar espécies mutantes. A evolução artificial dificilmente está chegando. Mas o estudo mostra a surpreendente adaptabilidade dos genomas dos mamíferos.
“Um dos objetivos da biologia sintética é gerar vida multicelular complexa com sequências de DNA projetadas”, escreveram os autores. “Ser capaz de manipular o DNA em larga escala, inclusive no nível cromossômico, é um passo importante em direção a esse objetivo”.
Crédito da imagem: Academia Chinesa de Ciências
