Os genes de nossos corpos trabalham juntos para regular como nossas células se comportam. Por exemplo, se você esfola o joelho, seus genes usam um sistema de mensagens químicas para direcionar um exército de células para curar a abrasão. Se os cientistas pudessem criar genes artificiais que pudessem realizar as mesmas funções, mas operar dentro de materiais em vez de organismos, uma ampla variedade de novos materiais de diagnóstico e autocura seria possível.
Uma equipe liderada pela engenheira da Johns Hopkins, Rebecca Schulman, está lançando as bases para esse trabalho de engenharia de sistemas químicos sintéticos que podem emular os comportamentos complexos das redes de genes naturais. O trabalho deles apareceu recentemente em Nature Chemistry .

“As células usam genes para decidir como se mover, crescer e agir. que são controlados pela química em vez da eletrônica", disse Schulman, que é professor associado de engenharia química e biomolecular e pesquisador associado do Instituto de NanoBiotecnologia da Escola de Engenharia Whiting.

O corpo humano compreende cerca de 25.000 genes, e as interações químicas que esses genes usam para regular as células têm muitas etapas e partes móveis. Os pesquisadores aprenderam que não precisam recriar meticulosamente cada uma dessas etapas biológicas naturais para criar análogos de genes sintéticos capazes de realizar as mesmas funções. Para melhorar e prever melhor o comportamento dos análogos de genes, Schulman e sua equipe criaram um kit de ferramentas moleculares que inclui genelets (genes muito pequenos cujas funções podem variar, dependendo das instruções) e modelos matemáticos simplificados que prevêem como os genelets se comportarão.

O sistema genelet simplificado da equipe usa DNA, a soma das informações genéticas de um organismo; RNA, que transmite informações genéticas para as partes de uma célula que produzem proteínas; uma enzima polimerase que transcreve o DNA para fazer cópias de RNA; e uma enzima RNase que degrada o RNA. Usando apenas esses elementos simples, o sistema da equipe de Schulman pode se adaptar e redefinir conforme o ambiente muda, assim como os genes naturais do corpo.

"Um dos desafios é que os componentes que compõem o DNA e o RNA nem sempre se comportam como previsto", explica. "Além disso, alguns componentes, como as enzimas polimerases, são simples e fáceis de trabalhar, mas difíceis de controlar. Isso dificulta a engenharia de sistemas que resultem nos resultados que desejamos."

Para evitar reações indesejadas, a equipe de Schulman criou um modelo matemático simples que assume que todos os componentes se comportam da mesma maneira. Então, para construir um sistema químico que seguisse a previsão do modelo simples, eles identificaram sistematicamente reações indesejadas e as suprimiram modificando regiões de DNA de fita simples.

"Normalmente, reações indesejadas decorrem da enzima polimerase, pois é bastante reativa aos componentes do DNA", disse Samuel Schaffter, principal autor do trabalho e ex-aluno da Johns Hopkins. Ele é um bolsista de pós-doutorado no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia.

A equipe rastreou componentes potenciais para a atividade que eles queriam e omitiu aqueles que se desviavam significativamente do desempenho esperado. Isso, combinado com as modificações químicas para evitar reações indesejadas, produziu uma biblioteca de cerca de 15 genelets com desempenho padrão universal.

Eles usaram esses componentes padrão para projetar redes que executam as principais tarefas observadas nas células, como tarefas que orientam as células durante o desenvolvimento, bem como redes com capacidade de memória. Seus resultados se alinharam notavelmente bem com suas previsões de modelos simples, indicando o poder da engenharia usando componentes com desempenho padronizado.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para usar esses sistemas químicos para controlar o comportamento de nanoestruturas, nanopartículas e hidrogéis, que podem ser usados ​​em diagnósticos avançados e, talvez, um dia, em eletrônica auto-regenerativa. Eles esperam que este kit de ferramentas inspire novas aplicações em outros grupos de pesquisa e desenvolveu um pacote de software disponível no GitHub. Os usuários podem simular rapidamente qualquer rede e produzir as sequências de DNA para testar no laboratório.

"Queremos tornar este sistema o mais fácil possível para outros pesquisadores usarem", disse Schaffter, "estamos convergindo para um sistema que não é mais limitado por desafios experimentais e nosso objetivo é que a única limitação seja a imaginação do pesquisador ." + Explorar mais

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