Biotecnologia e produção saúde

Do sistema Imune de bactérias à edição gênica

Muitos avanços científicos só são possíveis, graças à grande diversidade biológica na qual vivemos. A fonte de muitas pesquisas, as respostas para muitas perguntas, às vezes estão presentes nas diversas formas de vida que nos cercam. O equilíbrio do ambiente em que vivemos é tão grande, que o mais simples organismo, pode nos fornecer as respostas para as mais complexas perguntas. O mais fascinante, é que tentando entender os mecanismos da natureza, cientistas acabam fazendo descobertas que podem ser usadas em diversas áreas. 

Foi tentando entender o sistema imunológico adaptativo em bactérias, que se tornou possível a descoberta de uma das mais importantes técnicas de edição do gene, o CRISPR Cas9. Assim como acontece em células animais, as células bacterianas também podem ser infectadas por vírus, conhecidos como bacteriófagos, que se utilizam do mecanismo celular para completar o seu ciclo de reprodução e assim invadir outras células. Como qualquer outro organismo, bactérias também têm seu sistema de defesa contra invasores indesejáveis, elas possuem as enzimas de restrição, moléculas que são capazes de cortar o DNA do vírus em vários pedaços. Mas além de cortar, as bactérias guardam fragmentos do DNA viral no seu próprio material genético, retendo informações do seu invasor. 

A figura abaixo ilustra, em etapas, o processo de defesa de uma bactéria contra um vírus bacteriófago:

Entenda os passos:

  1. Aquisição: Quando um novo fragmento do material genético do vírus (nesse caso, DNA) é inserido, ele vai sendo incorporado no material genético da bactéria hospedeira, pela ação de enzimas de restrição conhecidas como Cas. Cada um desses fragmentos do DNA do vírus, denominados protoespaçadores (caixas coloridas numeradas), são intercalados com repetições de sequências não codificantes de DNA da própria bactéria (losangos pretos).  – O termo “não codificante” indica que são regiões do gene que não serão traduzidas em proteínas.

Essa curta sequência de DNA viral, intercalados nas sequências de DNA bacteriano, formam o locus CRISPR, que significa da sigla em inglês, Repetições Palindrômicas Curtas Agrupadas e Regularmente Interespaçadas. Este seria o primeiro passo de imunização da bactéria.

  1. Expressão: Como dogma da biologia, o DNA é transcrito em RNA, que por sua vez é traduzido em proteína, para então realizar funções específicas nas células. O locus CRISPR, formado por DNA viral e bacteriano, é transcrito a partir de uma região chamada ‘líder’, (que funciona como um ponto de partida para guiar a transcrição) por ação da enzima polimerase de RNA, formando o pré-CRISPR RNA. Posteriormente, o pré-CRISPR RNA é dividido em partes menores formando os crRNAs, que contém um único espaçador e uma repetição parcial por proteína Cas.  Uma outra sequência do genoma bacteriano, próximo ao locus CRISPR, encontramos os genes Cas, os quais são transcritos e dão origem às proteínas Cas. A expressão dessa informação contida no locus CRISPR, em pequenos RNAs (crRNAs), vai garantir para a bactéria uma proteção muito bem sucedida, através de um processo de interferência.
  1. Interferência: Em uma segunda infecção, quando o vírus bacteriófago voltar a depositar seu material genético na bactéria, as proteínas Cas terão uma importante ajuda, elas serão direcionadas por um crRNA  contendo um região que tem uma forte correspondência/afinidade com o DNA estranho. Esse crRNA vai se ligar de forma rápida e precisa no DNA invasor, assim a proteína Cas pode promover a quebra do DNA (representado pela tesoura) e interferir com a replicação do vírus, conferindo assim imunidade para bactéria. 

Após entender como esse sistema funciona, cientistas passaram a usa-lo ao seu favor, uma vez que a especificidade de ligação das sequências de crRNA com o DNA alvo era muito precisa. Foi daí que desenvolveram a tecnologia muito bem aceita e amplamente adotada pela comunidade científica, conhecida como CRISPR-Cas9, um eficiente, versátil e programável processo usado para segmentar, editar ou modificar os genomas de uma vasta gama de células e organismos.

  Nesta técnica de edição gênica, os princípios baseiam-se tanto na  endonuclease Cas9*, quanto no RNA guia (crRNA), que podem ser introduzidos em células in vitro com diferentes finalidades. Esse RNA guia tem por função direcionar uma endonuclease Cas9 para introduzir rupturas na cadeia do DNA alvo. Assim que ocorre a ruptura, a maquinaria molecular da célula, responsável pela correção de erros no genoma, é utilizada para alterar a sequência de DNA, promovendo a modificação. Desta forma, o sistema pode ser utilizado tanto para reparar (restaurando a função genica) quanto para introduzir mutações novas (causando o nocaute gênico).

 *cas9 é uma das endonucleases transcrita pelo genes Cas, utilizada por ser uma proteína multifuncional sendo importante na maturação do crRNA, bem como na degradação do DNA alvo

Mais uma vez, a rica diversidade biológica da natureza, nos mostra um caminho importante a seguir na compreensão do genoma, e a partir de um sistema imune adaptativo de bactérias pôde se desenvolver, até o momento, a mais poderosa e versátil técnica da engenharia genética para edição do genoma. Ressaltando a grande importância da pesquisa científica básica. Com apenas alguns anos da sua descoberta, CRISPR-Cas9 pode proporcionar um grande avanço em diversos ramos da ciência, na produção de culturas bacterianas mais resistentes, no melhoramento de produtos geneticamente modificados e mostrando um novo caminho para o tratamento e posterior cura de doenças, como por exemplo, AIDS e câncer. 

Muitas questões éticas envolvem a descoberta desse sistema de edição do genoma, pois já foi demonstrado que com ele, por exemplo, é possível editar e modificar genes de embriões humanos, levando a muitos questionamentos e dividindo opiniões dentro da comunidade científica. A descoberta de CRISPR-Cas9 é apenas um começo de muitos avanços que a edição do genoma pode nos proporcionar.

Marcelo Martuchi – Biolólogo, Pós graduado em biologia molecular e citogenética pelo ipessp, Pós graduado em anatomia funcional pela faculdade unyleya.

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