Em uma nova Nature Communications No estudo, os pesquisadores exploraram a construção de circuitos genéticos em moléculas únicas de DNA, demonstrando a síntese localizada de proteínas como um princípio orientador para nanodispositivos dissipativos, oferecendo insights sobre o design de células artificiais e aplicações de nanobiotecnologia.



O termo "circuito genético" é uma descrição metafórica da complexa rede de elementos genéticos (como genes, promotores e proteínas reguladoras) dentro de uma célula que interagem para controlar a expressão genética e as funções celulares.

No domínio do design de células artificiais, os cientistas pretendem replicar e projetar esses circuitos genéticos para criar unidades funcionais e independentes. Esses circuitos atuam como a maquinaria molecular responsável por orquestrar os processos celulares, regulando com precisão a produção de proteínas e outras moléculas.

Ao compreender e manipular estes circuitos, os investigadores podem projetar células artificiais com comportamentos programáveis, imitando as funcionalidades das células naturais.

No contexto do estudo mencionado, o foco está na construção de circuitos genéticos em moléculas únicas de DNA. Isto representa uma abordagem inovadora à medida que se afasta do contexto celular tradicional e explora a possibilidade de criar circuitos genéticos em condições livres de células.

Ferdinand Greiss, do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, explicou a motivação dos pesquisadores ao Phys.org:"Estamos tentando reconstituir processos biológicos fora dos circuitos complexos das células vivas, melhorando nossa compreensão dos princípios orientadores da natureza. O a pesquisa é direcionada para a construção de futuras células artificiais, e moléculas únicas de DNA poderiam ser a base genética para tal."

Regulação genética

A regulação genética é o processo pelo qual as células controlam a expressão dos genes, determinando quando e em que medida a informação de um gene é utilizada na síntese de moléculas funcionais como proteínas ou RNA. Desempenha um papel crucial na manutenção das funções celulares, respondendo às mudanças ambientais e garantindo o desenvolvimento adequado.

A regulação da expressão gênica envolve transcrição e tradução. Durante a transcrição, um segmento específico de DNA serve como modelo para a síntese de moléculas complementares de mRNA pela RNA polimerase. Este mRNA transporta o código genético do núcleo para o citoplasma, onde ocorre a tradução.

A tradução envolve a conversão de mRNA em proteínas. Os ribossomos leem a sequência do mRNA, facilitando a montagem dos aminoácidos em uma cadeia polipeptídica, formando a proteína codificada pelo gene.

"Em sistemas procarióticos, os processos de transcrição e tradução são acoplados. Isso significa que uma vez que a RNA polimerase produz mRNA a partir do DNA, o ribossomo pode encontrar o sítio de ligação ribossômico no mRNA nascente para começar a sintetizar a proteína. A proteína nascente pode se dobrar e funcionar enquanto ainda está presa ao DNA pelo complexo RNA polimerase-mRNA-ribossomo. Após o término da transcrição ou da tradução, a proteína nascente cai do DNA e se dispersa na solução em massa", explicou a co-autora Dra. Shirley Shulman Daube do. Instituto Weizmann de Ciência em Israel.

A importância reside no aumento da concentração local de proteínas nascentes, que é cerca de 1.000 vezes maior do que a solução a granel circundante. Esta organização espacial e aumento de concentração podem ter implicações nas funções celulares e potencialmente desempenhar um papel na construção de células artificiais utilizando moléculas únicas de DNA.

Construindo um circuito genético em uma única molécula de DNA

“Os circuitos genéticos são baseados em moléculas geneticamente codificadas, como fatores de transcrição, que são produzidos a partir do DNA e se ligam novamente ao DNA para regular a produção de suas próprias moléculas e de outras moléculas”, disse o coautor Dr. Vincent Noireaux, da Universidade de Minnesota. .

Para construir o circuito genético em uma única molécula de DNA, os pesquisadores projetaram sequências específicas com genes do bacteriófago lambda (E. coli).

O circuito genético envolvia uma cascata negativa, guiada pelo gene repressor CI e seu sítio de ligação ao operador, controlando intrinsecamente o gene HT. Este gene HT codificou a proteína HaloTag (HT), um elemento crucial para a visualização de proteínas nascentes em moléculas individuais de DNA.

O estudo implementou condições rigorosas, incluindo baixa densidade superficial de DNA, para garantir a síntese precisa de proteínas localizadas.

Simultaneamente, uma cascata positiva se desenrolou com a fusão da RNA polimerase do bacteriófago T7 (HT-T7 RNAP) e da proteína HT, permitindo o monitoramento em tempo real da expressão gênica através de um gene repórter a jusante, GFP.

Um corante fluorogênico vermelho extremo (MaP655-Halo) melhorou a detecção de proteínas nascentes, fornecendo uma visão abrangente da dinâmica do circuito genético.

A cascata negativa, ou supressão, regula e inibe a produção de proteínas específicas sob certas condições. Por outro lado, as cascatas positivas contribuem para a ativação e expressão de genes específicos dentro do circuito genético.

A pesquisa foi além da mera observação, incorporando um circuito de feedback com um repressor dCro sintético. Este componente foi crucial na regulação da expressão genética através de um promotor sintético meticulosamente concebido.

Livre de confinamento celular

Os pesquisadores descobriram que a síntese localizada de proteínas em uma única molécula de DNA pode conduzir circuitos genéticos em condições livres de células, sem o confinamento de compartimentos celulares. A dinâmica dos circuitos genéticos foi meticulosamente observada em condições muito diluídas.

O autor principal, Dr. Roy Bar-Ziv, do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, destacou a importância de suas descobertas:"A regulação da expressão gênica depende da ligação de proteínas ao DNA, bloqueando ou aumentando a atividade de um gene. A ligação requer alta concentrações de proteínas para encontrar e ligar sequências específicas na molécula de DNA. Inesperadamente, descobrimos que a síntese localizada de proteínas pode aumentar transitoriamente a concentração por tempo suficiente para que as proteínas façam o mesmo sem confinamento celular”.

Em essência, a descoberta desafia a noção convencional de que altas concentrações são essenciais para a regulação genética, introduzindo um novo aspecto da síntese proteica localizada como um meio de influenciar os circuitos genéticos em condições livres de células.

Para trabalhos futuros, os investigadores prevêem aproveitar a síntese localizada de proteínas como princípio orientador para melhorar a funcionalidade de células artificiais construídas a partir de moléculas únicas de ADN, enfrentando desafios em baixas concentrações. Eles também prevêem aplicações potenciais em nanodispositivos autocodificados e planejam explorar correlações entre a estrutura do DNA, a dinâmica da expressão gênica e a síntese de proteínas.

A pesquisa também envolveu contribuições de Nicolas Lardon com o Prof. Kai Johnsson do MPI for Medical Research, que desenvolveu o corante fluorogênico (MaP655-Halo); Yoav Barak, que ajudou a otimizar a preparação do DNA; e Leonie Schütz com o Prof. Elmar Weinhold, que foi pioneiro no desenvolvimento de metiltransferases para modificações de DNA específicas de local com biotinas.

Mais informações: Ferdinand Greiss et al, Um circuito genético em uma única molécula de DNA como um nanodispositivo dissipativo autônomo, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45186-2
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