A evolução é a forma como a natureza projeta os sistemas biológicos. Dentro das células, ocorrem muitas variações de DNA, RNA e proteínas, com a seleção natural favorecendo os organismos que funcionam de forma mais eficiente. Os humanos começaram a explorar esse processo há muito tempo. Os primeiros agricultores influenciaram a evolução ao escolher quais culturas e animais criar, permitindo que as plantas e animais mais produtivos herdassem as suas características.
Agora, os cientistas estão aplicando princípios semelhantes em laboratório através de uma técnica chamada evolução dirigida. Os pesquisadores o utilizam para melhorar proteínas como enzimas e anticorpos que desempenham papéis importantes na medicina, na fabricação industrial e até mesmo em produtos de uso diário, como sabão em pó.
Limitações da evolução dirigida tradicional
Apesar do seu sucesso, os métodos padrão de evolução dirigida ainda sofrem de uma limitação importante. Freqüentemente, exercem pressão seletiva constante em favor de proteínas que permanecem altamente ativas o tempo todo. Contudo, os sistemas biológicos reais raramente funcionam desta forma. Muitas proteínas atuam como sinais, interruptores moleculares ou “portas lógicas” (proteínas que combinam múltiplas entradas para tomar uma decisão sim ou não), o que significa que devem mudar de estado à medida que as condições mudam.
Por exemplo, uma proteína pode ser ativada brevemente, depois desligar e depois ligar novamente. Quando os experimentos evolutivos recompensam apenas um único estado, outros estados necessários podem ser degenerados. Como resultado, a proteína pode perder a capacidade de se converter corretamente, o que pode ser prejudicial à célula (por exemplo, matá-la). Devido a este desafio, o uso de métodos de evolução dirigida existentes para criar proteínas com comportamento polimórfico complexo tem se mostrado difícil.
Estratégias de evolução de proteínas baseadas em luz
Pesquisadores liderados por Sahand Jamal Rahi, do Laboratório de Física de Biossistemas da EPFL, introduziram um novo método chamado “fotoevolução”. Esta abordagem utiliza a luz para orientar a evolução de proteínas que podem realizar funções dinâmicas ou mesmo tarefas computacionais simples que seguem regras de sim ou não.
O estudo foi publicado em célulaajudando a aproximar a evolução dirigida da forma como as células funcionam naturalmente. Nos sistemas vivos, o tempo e as transições entre estados são tão importantes quanto a força do sinal.
Engenharia de células de levedura para selecionar proteínas ideais
Para construir seu sistema, os pesquisadores usaram a levedura Saccharomyces cerevisiae, um organismo amplamente utilizado na fabricação de cerveja e na pesquisa científica. Eles redesenharam o ciclo celular da levedura para que a divisão celular dependesse do comportamento das proteínas em evolução. As proteínas precisam alternar de forma limpa entre os estados ativos e inativos para que as células sobrevivam.
Os cientistas conectaram os sinais de saída da proteína aos reguladores que controlam o ciclo celular. Este regulador é necessário numa fase, mas torna-se tóxico noutra. Se a proteína permanecer ligada ou desligada por muito tempo, a célula de levedura irá estagnar ou morrer. Somente as células que contêm proteínas trocadas no momento certo podem continuar a se dividir.
Usando a luz para controlar a evolução em tempo real
A luz fornece uma maneira de controlar com precisão esse processo. Os pesquisadores usaram a optogenética, técnica que utiliza luz para ativar ou desativar genes. Ao fornecer pulsos de luz cronometrados, eles forçaram a proteína a alternar entre estados.
Cada ciclo celular de levedura dura cerca de 90 minutos, permitindo um rápido teste de aprovação ou reprovação para verificar se as proteínas estão mudando no momento certo. As proteínas com melhor desempenho permitem que as células sobrevivam e se reproduzam, enquanto as variantes mal convertidas são eliminadas. Isso permite que a optovolução selecione automaticamente proteínas com melhor comportamento dinâmico, sem a necessidade de triagem manual ou ajustes repetidos.
Nova variante de proteína e sensibilidade de cor expandida
Usando a evolução óptica, a equipe desenvolveu vários tipos diferentes de proteínas. Eles primeiro melhoraram um fator de transcrição controlado por luz comumente usado. Os pesquisadores geraram 19 novas variantes que eram mais sensíveis à luz, menos ativas no escuro ou capazes de responder à luz verde em vez da luz azul. Projetar proteínas que respondam a cores mais quentes que o azul há muito é considerado extremamente difícil devido à forma como essas proteínas absorvem a luz.
Os cientistas também desenvolveram um sistema optogenético de luz vermelha que elimina a necessidade de células de levedura adicionarem cofatores químicos. A evolução produziu uma mutação que torna o transportador normal de levedura ineficaz. Esta mudança inesperada permite que o sistema utilize moléculas sensíveis à luz presentes nas células, tornando o sistema mais fácil de usar em experimentos.
Proteínas que funcionam como microcomputadores
O estudo também mostra que a fotoevolução pode ir além das proteínas sensíveis à luz. Os pesquisadores desenvolveram um fator de transcrição que funciona como um computador de proteína única. Ele ativa o gene somente quando duas entradas diferentes se juntam – um sinal luminoso e um sinal químico.
O comportamento dinâmico das proteínas é crítico para muitos processos biológicos, incluindo a detecção de mudanças no ambiente, a tomada de decisões dentro das células e o controle da divisão celular. Ao permitir que estes comportamentos evoluam dentro das células vivas, a fotoevolução abre novas possibilidades para a biologia sintética, a biotecnologia e a investigação fundamental.
A tecnologia poderia ajudar os cientistas a projetar circuitos celulares mais inteligentes, criar ferramentas optogenéticas que respondam de forma independente a diferentes cores de luz e compreender melhor como os comportamentos complexos das proteínas surgem ao longo da evolução.
Outros contribuidores
- Laboratório de Engenharia de Proteínas e Células da EPFL
- Universidade de Bayreuth
- Hospital Universitário de Lausanne (CHUV)
