Pesquisadores do MIT Desenvolveram um Meio de Programar Memórias em Células Microbianas Revisando seu DNA

Os engenheiros orgânicos do MIT criaram uma maneira totalmente nova de editar genomas bacterianos com sucesso e programar memórias diretamente nas células microbianas, revisando seu DNA. Usando essa técnica, várias informações espaciais e temporais podem ser armazenadas inteiramente por gerações e obtidas pelo sequenciamento do DNA das células.

O novo método de escrita de DNA, que os cientistas chamam de HiSCRIBE, é muito mais eficaz do que os sistemas criados anteriormente para editar e melhorar o DNA em bactérias, que tiveram uma taxa de sucesso de apenas 1 em 10.000 células por geração. Em uma nova pesquisa, os cientistas mostraram que essa técnica poderia ser usada para manter a memória das comunicações celulares ou locais espaciais.

Esse método também pode tornar viável modificar, ativar seletivamente ou silenciar genes em determinadas espécies de microrganismos que permanecem em uma comunidade totalmente natural, como o microbioma humano, dizem os cientistas.

“Com este sistema de escrita de DNA totalmente novo, podemos modificar genomas bacterianos com a mesma eficiência, sem a necessidade de qualquer tipo de opção, dentro de ecossistemas bacterianos complicados”, afirma Fahim Farzadfard, ex-pós-doutorado do MIT e principal autor do artigo . “Isso nos permite fazer a modificação do genoma, bem como a escrita do DNA fora dos ambientes de laboratório, seja para criar germes, melhorar as características da paixão in situ ou pesquisar as características evolutivas e as interações nas populações microbianas.”

Timothy Lu, professor associado do MIT de design elétrico e ciência da computação e engenharia orgânica, é o escritor idoso da pesquisa, lançada em 5 de agosto de 2021, na Cell Solutions. Nava Gharaei, um ex-aluno de pós-graduação da Universidade de Harvard, e Robert Citorik, ex-aluno de pós-graduação do MIT, também são escritores da pesquisa.

Criação de genomas, bem como memórias de gravação
Por vários anos, o laboratório de Lu tem trabalhado com métodos para utilizar o DNA para armazenar informações como a memória de ocasiões móveis. Em 2014, ele e Farzadfard estabeleceram uma maneira de empregar germes como um “gravador genômico”, projetando E. coli para salvar memórias duradouras de eventos como a exposição direta a produtos químicos.

Para conseguir isso, os cientistas projetaram as células para produzir uma enzima transcriptase reversa chamada de retorno, que tem um DNA de fita simples (ssDNA) quando expresso nas células, bem como uma enzima recombinase, que pode colocar (“compor”) uma sequência particular de DNA de fita simples em um local direcionado no genoma. Este DNA é criado apenas quando ativado pela visibilidade de uma partícula fixa ou mais um tipo de entrada, como a luz. Depois que o DNA é feito, a recombinase insere o DNA direto em um local pré-programado em todo o genoma.

Essa técnica, que os cientistas chamaram de SCRIBE, tinha uma eficácia de escrita relativamente baixa. De cada 10.000 células de E. coli, em cada geração, uma certamente obteria o novo DNA que os cientistas tentaram incorporar às células. Este é um componente porque a E. coli tem mecanismos celulares que protegem contra a coleta e incorporação de DNA de fita simples em seus genomas.

No novo estudo de pesquisa, os cientistas tentaram melhorar a eficácia do processo eliminando alguns dos mecanismos de defesa da E. coli contra o DNA de fita simples. Inicialmente, eles desativaram enzimas chamadas exonucleases, que quebram o DNA de fita simples. Eles também eliminaram genes envolvidos em um sistema chamado trabalho de reparo da desigualdade, que geralmente impede a integração do DNA de fita simples ao genoma.

Com essas alterações, os cientistas poderiam alcançar a consolidação quase universal das mudanças genéticas que tentaram apresentar, desenvolvendo um meio incomparável e confiável para editar e aprimorar genomas microbianos sem a necessidade de escolha.

“Como resultado dessa melhoria, fomos capazes de fazer algumas aplicações que não podíamos fazer com a geração anterior do SCRIBE ou com outras inovações de escrita de DNA”, afirma Farzadfard.

Comunicações celulares
Em sua pesquisa de 2014, os pesquisadores revelaram que poderiam utilizar o SCRIBE para registrar o período e a intensidade de exposição a uma determinada molécula. Com seu novo sistema HiSCRIBE, eles podem rastrear esses tipos de vulnerabilidades, além de diferentes tipos de ocasiões, como comunicações entre células.

Em um caso, os cientistas mostraram que podem rastrear um processo chamado conjugação microbiana, por meio do qual os microrganismos trocam itens de DNA. Ao integrar um “código de barras” de DNA no genoma de cada célula, que pode ser negociado com outras células, os cientistas podem identificar quais células se engajaram umas com as outras sequenciando seu DNA para ver quais códigos de barras elas trazem.

Esse tipo de mapeamento pode ajudar os cientistas a estudar exatamente como as bactérias se conectam em agregados como os biofilmes. Se uma abordagem semelhante pudesse ser lançada em células animais, poderia um dia ser usada para mapear as comunicações entre outros tipos de células, como os neurônios, afirma Farzadfard. Os vírus que podem atravessar sinapses neurais podem ser programados para carregar códigos de barras de DNA que os pesquisadores podem usar para rastrear conexões entre as células nervosas, usando um novo método para ajudar a mapear o conectoma da mente.

“Estamos usando o DNA como sistema para registrar informações espaciais sobre a comunicação de células microbianas e, possivelmente, no futuro, neurônios que foram marcados”, afirma Farzadfard.

Os cientistas também revelaram que poderiam usar essa técnica para modificar o genoma de uma espécie de microrganismo em uma vizinhança de vários tipos. Nessa situação, eles apresentaram o gene para uma enzima que decompõe a galactose em células de E. coli que se expandem na sociedade com várias outras variedades de bactérias.

Os cientistas dizem que essa modificação seletiva da espécie pode fornecer um método único para tornar os germes resistentes a antibióticos muito mais suscetíveis aos medicamentos existentes, silenciando seus genes de resistência. No entanto, esses tratamentos provavelmente precisariam de vários anos, muito mais anos de pesquisa para serem criados, dizem eles.

Os pesquisadores também mostraram que poderiam usar essa estratégia para criar uma comunidade artificial feita de bactérias e bacteriófagos que podem revisar continuamente segmentos específicos de seu genoma e se desenvolver de forma autônoma com um preço mais alto do que seria possível pelo desenvolvimento natural. Nesse caso, eles foram capazes de otimizar a capacidade das células de ingerir lactose.

“Esta abordagem poderia ser utilizada para a engenharia transformativa de qualidades móveis ou em pesquisas de avanço experimental, permitindo que você repasse a fita de avanço indefinidamente”, afirma Farzadfard.

Referência : “Efficient retroelement-mediated DNA writing in bactéria” por Fahim Farzadfard, Nava Gharaei, Robert J. Citorik e Timothy K. Lu, 5 de agosto de 2021,  Cell Systems .
DOI: 10.1016 / j.cels.2021.07.001