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Da Agência Embrapa de Notícias*

Uma tecnologia inovadora que utiliza enzimas de vírus bacteriófagos para “ligar” e “desligar” genes de interesse de plantas e animais é a base de um pedido de patente recém-depositado pela Embrapa. Ela permite, por exemplo, que uma planta apresente resistência à seca somente quando, e se, for submetida a condições de estresse hídrico.

Os vírus bacteriófagos têm a capacidade natural de infectar bactérias. Eles se aderem à parede celular desses organismos, perfuram-na e injetam seu DNA. Observando esse processo natural, os cientistas perceberam que seria possível utilizar esses microrganismos como ferramentas genéticas para controlar a expressão de genes. Além disso, o fato de os vírus serem o grupo biológico mais abundante do planeta garante aos cientistas vasta quantidade de material genético para trabalhar.

(Foto/Arte: Eduardo Pinho)
(Foto/Arte: Eduardo Pinho)

Os cientistas também descobriram que os vírus bacteriófagos, ou fagos, como também são conhecidos, têm a capacidade de integrar seu próprio genoma ao da bactéria. Esse processo é mediado por enzimas denominadas integrases, capazes de integrar o genoma do vírus ao do organismo hospedeiro, no caso, as bactérias.

Biocircuitos funcionais em diferentes locais dos genomas

A utilização de integrases de bacteriófagos como ferramentas genéticas já é realidade na biotecnologia há mais de 25 anos para diversas aplicações, como explica o principal inventor da tecnologia, o pesquisador da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia (DF) Elibio Rech. A novidade desenvolvida pela equipe brasileira é utilizar seis enzimas do tipo serina-integrases em diferentes locais do genoma, possibilitando a formação de biocircuitos funcionais.

Segundo o pesquisador, “as integrases promovem a quebra e ligação de sequências de DNA em pontos específicos, resultando em rearranjos genéticos precisos,” detalha. Isso faz com que seja possível atuar exatamente nos trechos de interesse do código genético. Pode-se, por exemplo, silenciar um trecho que expressaria uma doença genética, ou fazer com que um gene responsável por resistência ao calor se expresse.

– Tratam-se de ferramentas eficientes e versáteis para aplicações em biologia experimental, biotecnologia, biologia e terapia gênica – declara Rech.

O cientista explica que, ao introduzir a integrase no DNA de uma planta ou animal, ela é capaz de inverter a sequência genética, impedindo que a cadeia de proteínas seja reconhecida e, por consequência, que o gene se expresse. Em linguagem mais coloquial, ela é capaz de “desligar” a função daquele gene. Quando retirada, o gene é expresso, ou seja, “religado”.

Adaptação à seca, combate ao câncer e sensor de poluição

Um exemplo concreto é a indução de tolerância em plantas a estresses climáticos, como por exemplo, a seca. Segundo o pesquisador, a tecnologia abre a possibilidade de colocar em um mesmo produto as integrases para “ligar” e “desligar” a expressão dos genes de tolerância. “Ou seja, quando submetidas à seca, os genes são ativados, e, após o término dessa estação, desativados”, complementa.

Esse é apenas um dos exemplos, mas as aplicações podem incluir expressões gênicas relacionadas a outros estresses climáticos e ambientais, além de resistência a doenças em plantas e animais.

– As aplicações mais emocionantes e promissoras das integrases de vírus bacteriófagos, particularmente de serina, estão na montagem de rotas metabólicas e circuitos genéticos porque permitem reconstruir vias metabólicas inteiras, ligando e desligando genes específicos no genoma – prevê o pesquisador.

Os testes que comprovam a eficácia da metodologia foram feitos com seis tipos diferentes de integrases, em células de plantas (protoplasto de Arabidopsis thaliana), de animais (fibroblasto de bovino) e humanas (célula tumoral) e demonstraram forte potencial de aplicação da metodologia não apenas para a pesquisa agronômica, mas também para pesquisas na área de veterinária e saúde humana. Neste último caso, pode-se vislumbrar, por exemplo, a utilização de determinada integrase para interromper o processo de divisão celular de um tumor cancerígeno. Outro exemplo de utilização da metodologia seria para controlar os níveis de poluição na água, em que a integrase emitiria um “sinal” quando a água alcançasse determinado nível de bactérias patogênicas a seres humanos.

Tecnologia aprimora edição de genomas por CRISPR

Outra contribuição do conhecimento patenteado é auxiliar a tecnologia mais promissora existente hoje na área de edição de genomas, o CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Grosso modo, o CRISPR funciona como um corretor ortográfico, permitindo “cortar” e “colar” genes de interesse no DNA de qualquer espécie, sem a inclusão de genes de outras espécies, a chamada transgenia. A edição de genomas permite desenvolver culturas agrícolas resistentes a pragas, corrigir genes defeituosos em animais e reescrever genomas inteiros de microrganismos.

Apesar de seu potencial altamente promissor, alguns casos de efeitos não alvo dessa tecnologia têm sido reportados, principalmente no que se refere à inserção de genes em locais aleatórios do genoma. Segundo Rech, a utilização de integrases em sinergia com as enzimas que cortam o genoma, usadas na tecnologia CRISPR, possibilita a inativação dessas enzimas após a edição de genomas, evitando efeitos indesejáveis de cortes inespecíficos no genoma.

Além disso, é possível vislumbrar a utilização de integrases como marcadores para inserção de cromossomos sintéticos no genoma hospedeiro com um benefício a mais: o potencial de ligar e desligar genes dentro dos cromossomos.

Para Rech, esse é mais um passo da pesquisa científica para aumentar o domínio tecnológico na geração de organismos modificados com as características desejadas pelo homem.

– Embora interruptores e circuitos genéticos únicos estejam no estágio inicial de desenvolvimento, é possível prever um futuro, não muito distante, em que os interruptores múltiplos se tornem a norma, permitindo um controle cada vez mais preciso da regulação e expressão de genes em plantas e células de mamíferos para o desenvolvimento de processos e produtos inovadores em benefício dos seres humanos e do meio ambiente –  acredita o pesquisador.

A tecnologia que deu origem ao pedido de patente foi testada durante quase três anos nos laboratórios da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia em parceria com a Universidade de Brasília (UnB) e com o Instituto Oswaldo Cruz (Fiocruz). Os inventores da Embrapa são os pesquisadores Elíbio Rech, Andre Melro Murad, Leila Barros, Cristiano Lacorte, Eduardo de Oliveira Melo e Lilian Hasegawa Florentino. Da UnB participa Cintia Coelho e da Fiocruz, Martin Bonamino.

Biologia sintética: a imitação da vida em laboratório

Nada disso seria possível sem o domínio da biologia sintética, área da ciência à qual Rech se dedica há anos na Embrapa.

– Trata-se de uma forte aliada dos cientistas na geração de produtos oriundos da biotecnologia e no seu desenvolvimento em larga escala, pois permite “copiar” os processos da natureza em laboratório – explica.

A área integra conhecimentos de diferentes disciplinas, como biologia, química, física, matemática, informática, biotecnologia e engenharia para a projeção e construção de novas funções e sistemas biológicos gerados em laboratórios.

O objetivo da biologia sintética é criar formas de vida artificiais a partir de elementos naturais. Com isso, derruba as fronteiras entre o vivo natural e o tecnológico manipulável com o objetivo de gerar novos produtos, tecnologias e aplicações.

*Com edição de Cerrado Rural Agronegócios

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