Construir cromossomos do zero pode parecer ficção científica, mas os cientistas realmente fizeram isso e fizeram funcionar. Num esforço ambicioso, os investigadores criaram um cromossoma totalmente sintético para a levedura, um organismo normalmente encontrado na panificação e na produção de cerveja. Qual é a verdadeira surpresa? Depois de corrigir cuidadosamente alguns defeitos, os cromossomos produzidos em laboratório permitiram que a levedura crescesse normalmente, mesmo sob condições estressantes, como altas temperaturas e escassez de nutrientes. Esta conquista faz parte da versão 2.0 do Projeto Genoma de Levedura Sintética, que explora como genes personalizados podem remodelar nossa compreensão da biologia e levar a novas tecnologias poderosas.
Pesquisadores da Universidade Macquarie, incluindo o professor Isak Pretorius, o professor Ian Paulsen, o Dr. Hugh Goold e o Dr. Heinrich Kroukamp, juntamente com equipes da Universidade Johns Hopkins e da Universidade de Edimburgo, lideraram o estudo. As suas descobertas, publicadas na revista Nature Communications, descrevem como construíram e repararam este cromossoma sintético para ajudar a levedura a crescer e a comportar-se como a levedura original. Estas melhorias baseiam-se em experiências anteriores do mesmo projecto e envolvem novas formas inteligentes de afinar o design e o desempenho do ADN sintético.
Siga uma abordagem passo a passo para criar cromossomos sintéticos. Os fragmentos são produzidos separadamente em diferentes cepas de levedura e depois unidos por meio de cruzamento e mistura natural de DNA. Inicialmente, os cromossomos artificiais faziam com que a levedura crescesse mal, especialmente sob condições adversas, como altas temperaturas ou quando as fontes de alimento eram limitadas. Os cientistas usaram uma abordagem que se baseia em ferramentas modernas de edição de genes, chamadas atualizações do sistema genômico baseado em DNA, para determinar quais partes dos cromossomos sintéticos estavam causando os problemas. Um grande problema foi encontrado no gene responsável pela transferência de cobre para as células. Mudanças na região que controla como esse gene é ativado interferem na capacidade de sobrevivência da levedura. Outro problema surge dos genes envolvidos na divisão celular, onde alterações projetadas perturbam a sua função normal.
Restaurar a sequência de controle original e reintroduzir certas moléculas de RNA auxiliares (chamadas RNAs de transferência) pode ajudar a resolver problemas de crescimento. O professor Pretorius disse: “Descobrimos erros críticos causados pela colocação de locais de recombinação próximos às regiões reguladoras dos genes, o que teve consequências indesejadas para a expressão genética e a aptidão celular”. Essas correções permitiram que a levedura retornasse ao crescimento saudável mesmo sob condições desafiadoras, fazendo com que ela se comportasse mais como a cepa natural.
Essas correções trouxeram insights valiosos. Muitos dos problemas podem ser atribuídos a pequenas etiquetas de ADN colocadas demasiado perto de regiões que controlam genes importantes. Em resposta, a equipe desenvolveu uma versão mais limpa chamada Cromossomo Sintético 16 versão 2.0. Esta versão atualizada elimina regiões problemáticas, melhora os sinais de parada genética e reduz o número de marcadores de DNA adicionados. Estas etapas ajudam os cromossomos sintéticos a funcionar de forma mais eficiente e fornecem aos cientistas um modelo mais confiável para a construção de cromossomos artificiais em outros organismos.
Os pesquisadores trabalham para melhorar o processo passo a passo, seguindo um ciclo de design, teste e refinamento. Eles descobriram que, embora a levedura possa tolerar muitas alterações no seu material genético, certas partes – especialmente aquelas fora das regiões codificadoras de proteínas e genes com poucas alternativas – requerem atenção especial. Adicionar todo o RNA de transferência ausente a um círculo pequeno e independente de DNA pode melhorar significativamente a saúde da levedura, especialmente sob condições estressantes de crescimento.
Estas lições aprendidas com a síntese do cromossoma 16 foram agora aplicadas a uma versão de trabalho mais robusta, fornecendo à comunidade científica um exemplo sólido de como construir um cromossoma artificial verdadeiramente eficaz. As descobertas podem ajudar a orientar o desenho de cromossomos personalizados, não apenas em leveduras, mas também em plantas e animais, onde a manutenção do equilíbrio genético é mais importante. Em última análise, este desenho cromossômico aprimorado destaca a utilidade das ferramentas genéticas atuais e fornece um roteiro útil para a construção de sistemas genéticos complexos que sejam estáveis, eficientes e prontos para inovações futuras.
Referência do diário
Goold HD, Kroukamp H., Erpf PE, et al. “Construir e redesenhar iterativamente SínteseXVI 903kb sintético Saccharomyces cerevisiae cromossoma. ”Nature Communications, 2025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55318-3
Sobre o autor
Professor Isaac Pretorius é líder em biologia sintética e biotecnologia, conhecido por seu trabalho em genética de leveduras e engenharia genômica. Trabalhando na Universidade Macquarie, na Austrália, ele desempenhou um papel central nos esforços globais para projetar e construir genomas eucarióticos sintéticos, incluindo o projeto histórico do genoma da levedura sintética. Com formação em microbiologia e paixão pela reprogramação de sistemas biológicos, o Professor Pretorius fez contribuições significativas para o desenvolvimento de ferramentas genéticas personalizadas para aplicações industriais e de pesquisa. A sua liderança une a ciência básica e a inovação aplicada, particularmente em áreas como vinificação, fermentação e bioengenharia. Ele também é reconhecido por orientar pesquisadores emergentes e promover a colaboração internacional em projetos em escala genômica.
Professor Ian Paulson é um renomado especialista em genômica microbiana na Universidade Macquarie, com foco em biologia de sistemas, biologia sintética e aplicações ambientais da ciência microbiana. Sua pesquisa abrange fisiologia microbiana, redes metabólicas e engenharia genética de microrganismos para fins biotecnológicos. O professor Paulsen é um contribuidor chave para o projeto do genoma da levedura sintética, trazendo uma abordagem baseada em dados para compreender e redesenhar genomas microbianos. Seu trabalho frequentemente integra modelagem computacional e genômica funcional para enfrentar desafios globais no desenvolvimento sustentável e na biotecnologia industrial. Com um forte compromisso com a pesquisa interdisciplinar, ele é reconhecido por preencher a lacuna entre a biologia computacional e a ciência experimental.
Dr. é um cientista sênior reconhecido por sua experiência em biologia molecular e engenharia genômica. Ele é afiliado ao Departamento de Indústrias Primárias de NSW e trabalha extensivamente em aplicações de biologia sintética em leveduras e outros sistemas microbianos. Como um dos principais contribuintes para o projeto e comissionamento do cromossomo XVI sintético, o Dr. Gould ajudou a avançar as fronteiras da engenharia em escala genômica. Seu trabalho se concentra na melhoria da estabilidade genética, funcionalidade e desempenho de organismos sintéticos. Com experiência prática em biologia aplicada, a pesquisa do Dr. Gould muitas vezes se traduz em ferramentas e estratégias com ampla relevância industrial e agrícola, incluindo biossegurança e biotecnologia sustentável.
Dr.Heinrich Krukamp é um biotecnologista microbiano conhecido por seu trabalho na construção de genoma sintético e engenharia celular. Baseado na Austrália, ele contribuiu para um grande esforço internacional para desenvolver cromossomos de leveduras sintéticas em colaboração com a MicroBioGen e a Universidade Macquarie. A experiência do Dr. Kroukamp reside no desenvolvimento de cepas, na otimização da fermentação e na solução de gargalos biológicos em organismos modificados. Dentro do Projeto Genoma de Levedura Sintética, ele desempenhou um papel fundamental em testes, depuração e refinamento de DNA sintético para garantir crescimento e desempenho robustos. Sua pesquisa vincula o design molecular a resultados práticos, contribuindo para inovações em áreas como fermentação industrial, bioprodutos renováveis e fisiologia microbiana.
