Ouriços-do-mar feitos sob encomenda:Cientistas fazem descoberta transgênica
A expressão do transgene em animais F1 é onipresente em todo o corpo. Imagens ao vivo de nove juvenis F1 exclusivos. A linha superior e do meio é a visão aboral e a linha inferior é a visão oral. Os juvenis foram corados com membrana plasmática CellMask laranja para criar contraste com o sinal nuclear CFP. Crédito:bioRxiv (2024). DOI:10.1101/2024.03.26.586777 Considere o ouriço-do-mar. Especificamente, o ouriço pintado:Lytechinus pictus, uma bola de pingue-pongue espinhosa do leste do Oceano Pacífico.
A espécie é uma prima menor e de espinha mais curta dos ouriços roxos que devoram florestas de algas. Eles produzem um grande número de espermatozoides e óvulos que fertilizam fora de seus corpos, permitindo que os cientistas observem o processo de criação dos ouriços de perto e em escala. Uma geração dá origem à próxima em quatro a seis meses. Elas compartilham mais material genético com os humanos do que as moscas da fruta e não conseguem voar – em suma, um animal de laboratório ideal para o biólogo do desenvolvimento.
Os cientistas têm usado ouriços-do-mar para estudar o desenvolvimento celular há cerca de 150 anos. Apesar do estatuto dos ouriços-do-mar como super reprodutores, preocupações práticas obrigam frequentemente os cientistas a concentrar o seu trabalho em animais mais facilmente acessíveis:ratos, moscas da fruta, vermes.
Os cientistas que trabalham com ratos, por exemplo, podem encomendar animais online com as propriedades genéticas específicas que pretendem estudar – animais transgénicos, cujos genes foram modificados artificialmente para expressar ou reprimir certas características.
Os pesquisadores que trabalham com ouriços normalmente passam parte do ano coletando-os no oceano.
"Você pode imaginar se os pesquisadores de ratos montassem uma ratoeira todas as noites e tudo o que capturassem fosse o que estudassem?" disse Amro Hamdoun, professor do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego.
Os invertebrados marinhos representam cerca de 40% da diversidade biológica do mundo animal, mas aparecem numa pequena fracção de uma percentagem de estudos baseados em animais. E se os investigadores conseguissem aceder aos ouriços-do-mar tão facilmente como aos ratos? E se fosse possível fazer e criar linhagens de ouriços-do-mar transgênicos?
Quanto mais poderíamos aprender sobre como a vida funciona?
“Você sabe como, durante a pandemia, todo mundo estava fazendo massa fermentada? Não sou bom em fazer massa fermentada”, disse Hamdoun recentemente em seu escritório no Scripps 'Hubbs Hall. Em vez disso, ele se concentrou em um projeto de tipo diferente:um novo animal de laboratório transgênico, "uma mosca da fruta do mar".
Em março, o laboratório de Hamdoun publicou um artigo sobre o bioRxiv servidor de pré-impressão demonstrando a inserção bem-sucedida de um pedaço de DNA estranho – especificamente, uma proteína fluorescente de uma água-viva – no genoma de um ouriço pintado que transmitiu a mudança para sua prole.
O resultado é o primeiro ouriço-do-mar transgênico, que brilha como uma lâmpada de Natal sob uma luz fluorescente. (O artigo foi submetido para revisão por pares.)
Os animais são os primeiros equinodermos transgênicos, o filo que inclui estrelas do mar, pepinos-do-mar e outros animais marinhos. A missão de Hamdoun é disponibilizar ouriços-do-mar geneticamente modificados para pesquisadores de qualquer lugar, não apenas para aqueles que trabalham em instalações de pesquisa na orla do Oceano Pacífico.
“Se olharmos para alguns dos outros organismos modelo, como a Drosophila [moscas da fruta], o peixe-zebra e o rato, existem centros de recursos bem estabelecidos”, disse Elliot Jackson, investigador de pós-doutoramento no Scripps e autor principal do artigo. "Se você quiser uma linha transgênica que rotule o sistema nervoso, provavelmente conseguirá isso. Você poderá encomendá-la. E é isso que esperamos que possamos ser para os ouriços-do-mar."
Ser capaz de modificar geneticamente um animal potencializa o que os cientistas podem aprender com isso, com implicações muito além de qualquer espécie individual.
“Isso transformará os ouriços-do-mar como um modelo para a compreensão da neurobiologia, para a compreensão da biologia do desenvolvimento, para a compreensão da toxicologia”, disse Christopher Lowe, professor de biologia de Stanford que não esteve envolvido na pesquisa.
A descoberta do laboratório e o seu foco em disponibilizar gratuitamente os animais a colegas cientistas "permitir-nos-ão explorar como a evolução resolveu muitos problemas de vida realmente complicados", disse ele.
Os pesquisadores tendem a estudar ratos, moscas e similares não porque a biologia dos animais seja mais adequada para responder às suas perguntas, mas porque “todas as ferramentas necessárias para responder às suas perguntas foram construídas em apenas algumas espécies”, disse Deirdre Lyons. , professor associado de biologia na Scripps que trabalhou com Hamdoun nas primeiras pesquisas relacionadas ao projeto.
Expandir a gama de animais disponíveis para trabalhos sofisticados de laboratório é como adicionar cores à paleta de um artista, disse Lyons:"Agora você pode buscar a cor que realmente deseja, que melhor se adapta à sua visão, em vez de ficar preso a alguns modelos. "
No andar térreo do prédio de escritórios de Hamdoun fica o aquário experimental Hubbs Hall, um espaço semelhante a uma garagem repleto de tanques cheios de água do mar em recirculação e uma variedade heterogênea de vida marinha.
Numa visita recente, Hamdoun enfiou a mão num tanque e desalojou delicadamente um ouriço pintado. Ele avançou com velocidade surpreendente sobre a palma da mão estendida, como se estivesse explorando um terreno estranho.
O último ancestral comum do L. pictus e do Homo sapiens viveu há pelo menos 550 milhões de anos. Apesar dos diferentes caminhos evolutivos que percorremos desde então, os nossos genomas revelam uma herança biológica partilhada.
As instruções genéticas que conduzem a transformação de um único zigoto num corpo vivo são surpreendentemente semelhantes nas nossas duas espécies. Sistemas especializados diferenciam-se de um único óvulo fertilizado e da tradução de um amontoado de proteínas em um ser vivo singular – no nível celular, tudo isso ocorre da mesma maneira para ouriços e pessoas.
Estes animais são “realmente fundamentais para a nossa compreensão de toda a vida”, disse Hamdoun, colocando o ouriço de volta no seu aquário. "E historicamente, muito inacessível geneticamente."
O aquário experimental foi construído na década de 1970, quando extrair vida do mar era a única maneira de adquirir espécimes para pesquisa. Alguns andares acima, no Hubbs Hall, Hamdoun abriu caminho para o viveiro de ouriços – o primeiro esforço em grande escala para criar gerações sucessivas de animais em laboratório. A qualquer momento, a equipe tem de 1.000 a 2.000 ouriços-do-mar em vários estágios de desenvolvimento.
Fileiras e mais fileiras de minúsculos tanques de plástico ficavam encostados na parede, cada um contendo um ouriço juvenil do tamanho de uma lentilha. Uma tira de fita adesiva em cada tanque marcava a modificação genética do animal e a data da fertilização. Em alguns, um segundo pedaço de fita indicava animais que tinham a modificação no DNA de suas células sexuais, o que significa que ela poderia ser transmitida aos descendentes. (Por esta razão, o laboratório mantém os seus ouriços escrupulosamente separados da população selvagem.)
"Uma das grandes questões de toda a biologia é entender como a série de instruções no genoma fornece qualquer fenótipo que você queira estudar", disse Hamdoun - essencialmente, como a cadeia de aminoácidos que constitui o código genético de um animal dá origem às características da criatura viva que respira. "Uma das coisas fundamentais que você precisa fazer é modificar esse genoma e depois estudar qual será o resultado."
Ele apontou para um tanque contendo um pequeno ouriço de cujo código genético a proteína ABCD1 foi retirada.
O ABCD1 atua como um segurança, explicou Hamdoun, estacionando ao longo da membrana celular e ejetando moléculas estranhas. A ação da proteína pode preservar a célula de substâncias nocivas, mas às vezes pode atuar contra o interesse do organismo, como quando impede a célula de absorver um medicamento necessário.
Os investigadores que utilizam ouriços-do-mar nos quais essa proteína já não funciona podem estudar o movimento de uma molécula através de um organismo – o DDT, por exemplo – e medir quanto da substância acaba na célula sem a interferência confusa do ABCD1. Eles podem fazer engenharia reversa do grande papel que o ABCD1 desempenha na prevenção de uma célula absorver um medicamento.
E depois há os ouriços fluorescentes.
"A mágica acontece nesta sala", disse Jackson, entrando em um escritório estreito com microscópios avaliados em US$ 1 milhão em uma extremidade e uma centrífuga de décadas com manivela aparafusada a uma mesa na outra.
Ele colocou uma placa de Petri contendo três ouriços-do-mar transgênicos do tamanho de uma borracha de lápis sob um microscópio. Com 120 vezes o seu tamanho, cada um parecia a bola da véspera de Ano Novo da Times Square ganhando vida - uma criatura brilhante e ondulante de simetria radial pentâmera.
A fluorescência não é apenas um truque de festa dos equinodermos. A iluminação das células torna mais fácil para os pesquisadores rastrearem seu movimento em um organismo em desenvolvimento. Os pesquisadores podem observar como as primeiras células de uma blástula se dividem e se reorganizam em tecido neural ou cardíaco. Eventualmente, os cientistas serão capazes de desligar genes individuais e ver como isso afecta o desenvolvimento. Ajudar-nos-á a compreender como a nossa espécie se desenvolve e por que esse desenvolvimento nem sempre ocorre de acordo com o planeado.
O laboratório "fez um ótimo trabalho. Foi realmente bem recebido pela comunidade", disse Marko Horb, cientista sênior e diretor do National Xenopus Resource do Laboratório Biológico Marinho da Universidade de Chicago.
Horb dirige o centro de compensação nacional para espécies geneticamente modificadas de Xenopus, um sapo com garras usado em pesquisas de laboratório. O centro desenvolve linhas de sapos transgênicos para uso científico e os distribui aos pesquisadores.
Hamdoun prevê um centro de recursos semelhante para os ouriços do seu laboratório. Eles já começaram a enviar pequenos frascos de esperma transgênico de ouriços-do-mar para cientistas interessados, que podem cultivar ouriços sob medida com óvulos adquiridos no laboratório de Hamdoun ou em outra fonte.
Hamdoun relembra vividamente o tempo que passou no início de sua carreira tentando rastrear fragmentos aleatórios de DNA necessários para sua pesquisa, a decepção e a frustração de escrever para professores e ex-pós-doutorados apenas para descobrir que o material havia sido perdido há muito tempo. Ele preferiria que as futuras gerações de cientistas dedicassem seu tempo à descoberta.
“A biologia é realmente interessante”, disse ele. "Quanto mais pessoas puderem ter acesso a ele, mais aprenderemos."
