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Os bioengenheiros podem adaptar os genomas das células para criar “terapias celulares” que combatem doenças, mas eles acharam difícil projetar proteínas ativadoras especializadas chamadas fatores de transcrição que podem acionar os genes da bioengenharia sem ocasionalmente ativar alguns dos genes que ocorrem naturalmente na célula .
Em um estudo publicado online em Célulabioengenheiros da Rice University, Boston University, Harvard Medical School, Dartmouth College e Harvard University’s Wyss Institute mostraram que poderiam eliminar essas ativações genéticas “fora do alvo” usando um método baseado na natureza.
“Tornamos nossos fatores de transcrição mais fracos”, disse o co-autor sênior Caleb Bashor, professor assistente de bioengenharia e biociências na Rice, que ajudou a liderar o estudo. “Como eles se ligam mais fracamente no geral, as chances de sua ligação fora do alvo caem para quase nada.”
Em geral, os bioengenheiros tendem a projetar fatores de transcrição de ligação forte para ajudar a garantir que os genes-alvo sejam ativados quando deveriam. Embora o enfraquecimento dos fatores de transcrição pareça contra-intuitivo, o grupo de pesquisa de Bashor colaborou com o grupo de Ahmad “Mo” Khalil da BU por anos para construir e testar ferramentas que empregam fatores de transcrição mais fracos, fazendo-os trabalhar em equipes.
“Os fatores de transcrição atuam como a ‘fiação’ nos circuitos de genes, ligando a expressão de diferentes genes no circuito”, disse Bashor.
Os circuitos genéticos são conjuntos de genes que trabalham juntos para executar uma função específica. Por exemplo, em trabalhos anteriores, Bashor e seus colegas implementaram circuitos que executavam lógica booleana programável, processamento de sinal, conversão analógico-digital e outras tarefas complexas.
Cada fator de transcrição ativa seu gene alvo específico ligando-se a uma sequência específica de DNA que ativa esse gene. Os bioengenheiros podem usar um fator de transcrição para ativar um determinado elemento de um circuito genético, por exemplo, outro para transformar sua saída de baixo para alto e ainda outro para desligá-lo.
Para garantir que seus fatores de transcrição enfraquecidos ativassem seus genes-alvo quando solicitados, Bashor, Khalil e seus colegas empregaram um fenômeno chamado montagem cooperativa. Em suas células, um fator de transcrição só ativa seu alvo primeiro se fundindo com um ou mais outros fatores de transcrição para formar um grande complexo proteico. O complexo montado, comportando-se como uma única unidade, ativa o gene alvo.
“Nosso design os torna fortes como um grupo, mas fracos sozinhos”, disse Bashor. “Isso garante que os únicos genes que eles podem se reunir para ativar sejam os do circuito. O resultado disso são circuitos de genes que funcionam normalmente, mas também são ‘estabilizados’ e permanecem na célula por um longo período.”
Bashor disse que o uso da natureza de uma estratégia semelhante em humanos e em outras formas de vida complexas foi uma inspiração para o projeto.
Para ilustrar o potencial do trabalho, ele usou o exemplo das terapias baseadas em células. Em muitos casos, o número de células modificadas que um paciente recebe é muito menor do que o número necessário para produzir um efeito terapêutico. Ou seja, o tratamento só é eficaz se as células modificadas prosperarem, se reproduzirem e crescerem em uma população grande o suficiente para assumir a doença.
“Qualquer carga imposta por meio de interações fora do alvo reduz as chances de sucesso”, disse ele. “Nossa abordagem oferece um conjunto generalizável de regras que os engenheiros podem usar para isolar os circuitos genéticos da célula hospedeira e mitigar cargas fora do alvo”.
A pesquisa foi financiada pelo National Institutes of Health (EB029483, EB027793), National Science Foundation (2027045, 1921677), Office of Naval Research (N00014-21-1-4006) e pelo Departamento de Defesa Vannevar Bush Faculty Fellowship ( N00014-20-1-2825).
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