A evolução é a maneira da natureza criar sistemas biológicos. Muitas variações de DNA, RNA e proteínas ocorrem dentro das células, e a seleção natural favorece os organismos que funcionam de forma mais eficiente. As pessoas começaram a usar esse processo há muito tempo. Os primeiros agricultores influenciaram a evolução selecionando culturas e gado para reprodução, permitindo que as plantas e animais mais produtivos transmitissem as suas características.
Os cientistas hoje aplicam princípios semelhantes em laboratório, usando uma técnica conhecida como evolução dirigida. Os pesquisadores o utilizam para melhorar proteínas como enzimas e anticorpos, que desempenham papéis importantes na medicina, na produção industrial e até mesmo em produtos de uso diário, como detergentes em pó.
Limites da evolução dirigida tradicional
Apesar do seu sucesso, as técnicas padrão de evolução dirigida têm uma limitação importante. Geralmente exercem uma pressão de seleção constante que favorece proteínas que permanecem altamente ativas o tempo todo. No entanto, os sistemas biológicos reais raramente funcionam desta forma. Muitas proteínas servem 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 quando as condições mudam.
Por exemplo, uma proteína pode ser brevemente ativada, depois desligada e depois ligada novamente. Se os experimentos evolutivos recompensarem apenas um estado, outros estados necessários poderão ser degradados. Como resultado, as proteínas podem perder a capacidade de mudar adequadamente, o que pode ser prejudicial às células (por exemplo, matar a célula). Devido a este desafio, a criação de proteínas com comportamentos complexos de vários estados tem se mostrado um desafio com as abordagens de evolução dirigida existentes.
Uma estratégia baseada na luz para a evolução das proteínas
Pesquisadores liderados por Sahand Jamal Rahi, do Laboratório de Física de Sistemas Biológicos da EPFL, apresentaram uma nova abordagem chamada “optoevolução”. Esta técnica utiliza luz para impulsionar a evolução de proteínas que podem realizar funções dinâmicas e até mesmo realizar tarefas computacionais simples que seguem regras de sim ou não.
Um estudo publicado em Celularajuda a aproximar a evolução dirigida do funcionamento natural das células. Nos sistemas vivos, o tempo e a alternância entre estados são tão importantes quanto a intensidade do sinal.
Engenharia de células de levedura para selecionar melhores proteínas
Para construir seu sistema, os pesquisadores usaram a levedura Saccharomyces cerevisiae, um organismo amplamente utilizado tanto na fabricação de cerveja quanto na pesquisa científica. Eles redesenharam o ciclo celular da levedura para que a divisão celular dependesse do comportamento da proteína produzida. Para que a célula sobrevivesse, a proteína precisava alternar de forma limpa entre os estados ativo e inativo.
Os cientistas conectaram o sinal de saída da proteína a um regulador que controla o ciclo celular. Este regulador é essencial em um estágio, mas torna-se tóxico em outro. Se a proteína permanecesse ligada ou desligada por muito tempo, a célula de levedura parava ou morria. Apenas as células contendo as proteínas que mudaram no momento certo continuaram a se dividir.
Usando a luz para impulsionar a evolução em tempo real
A luz tornou possível controlar com precisão esse processo. Os pesquisadores usaram a optogenética, método que ativa ou desativa genes por meio da luz. Ao fornecer pulsos de luz cronometrados, eles fizeram a proteína alternar entre estados.
Cada ciclo celular de levedura dura cerca de 90 minutos, criando um rápido teste de aprovação ou reprovação para saber se uma proteína mudou no momento certo. As proteínas com melhor desempenho permitiram que a célula sobrevivesse e se reproduzisse, enquanto as variantes com má comutação foram eliminadas. Isso permitiu que a optovolução selecionasse automaticamente proteínas com o melhor comportamento dinâmico sem triagem manual ou ajustes repetidos.
Novas opções de proteínas e sensibilidade de cor aprimorada
Usando a optovolução, a equipe desenvolveu vários tipos diferentes de proteínas. Eles melhoraram pela primeira vez um fator de transcrição controlado por luz comumente usado. Os pesquisadores criaram 19 novas variantes que mostraram maior sensibilidade à luz, redução da atividade no escuro ou capacidade de responder à luz verde em vez de apenas azul. A criação de proteínas que respondam a cores mais quentes que o azul tem sido considerada extremamente difícil devido à forma como estas proteínas absorvem a luz.
Os cientistas também desenvolveram um sistema optogenético de luz vermelha para que as células de levedura não necessitem mais de um cofator químico adicional. A evolução causou uma mutação que desativou a proteína normal de transporte da levedura. Essa mudança inesperada permitiu que o sistema utilizasse moléculas sensíveis à luz já presentes na célula, facilitando o uso do sistema em experimentos.
Proteínas que agem como pequenos computadores
O estudo também mostrou que a optovolução pode ir além das proteínas sensíveis à luz. Os pesquisadores desenvolveram um fator de transcrição que funciona como um computador de proteína única. Ele ativou os genes apenas quando duas entradas diferentes apareceram ao mesmo tempo – um sinal luminoso e um sinal químico.
O comportamento dinâmico das proteínas é essencial para muitos processos biológicos, incluindo a detecção de mudanças ambientais, a tomada de decisões celulares e o controle da divisão celular. Ao permitir que estes comportamentos evoluam continuamente nas células vivas, a optoevolução oferece novas oportunidades para a biologia sintética, a biotecnologia e a investigação básica.
A técnica poderia ajudar os cientistas a projetar circuitos celulares mais inteligentes, criar ferramentas optogenéticas que respondem de forma independente a diferentes cores de luz e compreender melhor como os comportamentos complexos das proteínas surgem ao longo da evolução.
Outros participantes
- Laboratório de Engenharia Celular e de Proteínas EPFL
- Universidade de Bayreuth
- Hospital Universitário de Lausanne (CHUV)
