Tecnologia Científica

Construção de criaturas 3-D: construindo cromossomos do zero
O projeto Genome in a Box é uma ideia dos pesquisadores Anthony Birnie e Cees Dekker, do Departamento de Bionanociência da Universidade de Tecnologia de Delft.
Por John Hewitt - 26/01/2021


Crédito: Wikipedia

O projeto Genome in a Box é uma ideia dos pesquisadores Anthony Birnie e Cees Dekker, do Departamento de Bionanociência da Universidade de Tecnologia de Delft. Seu objetivo declarado é montar um cromossomo funcional de baixo para cima, começando com o DNA nu. Em teoria, a sequência bruta poderia ser impressa em pedaços usando máquinas de síntese de DNA e depois costurada em uma longa corda com o código correto do cromossomo desejado. Isso seria quase impossível na prática, pelo menos com nossa tecnologia existente. Não haveria maneira de manter as cordas frágeis classificadas para que pudessem ser unidas e dobradas corretamente sem erros.

Em vez disso, o que os pesquisadores propõem é pegar uma cadeia de DNA desproteinada do tamanho de um genoma isolada de células vivas e, em seguida, adicionar cuidadosamente os elementos organizadores de DNA apropriados, um por um, para ligar e compactar a sequência em um cromossomo adequado dentro de alguns microfluídicos avançados aparelho. Esses organizadores de DNA incluem várias proteínas histonas que formam segmentos individuais de ~ 200 pares de bases de DNA para formar uma configuração condensada de esferas em um fio. Esses nucleossomos são então ligados e extrudados em loops de ordem superior por proteínas motoras SMC (manutenção estrutural dos cromossomos). SMCs típicos, como os complexos de coesina e condensina, podem enrolar rapidamente no DNA a uma taxa de 2.000 bps / seg, mas só podem puxar com uma força de estol de cerca de um piconewton.

Esses loops são então algemados juntos para formar grandes domínios de associação topológica (TADs), os quais, pelo menos para mamíferos, são gerados em uma escala de cerca de 880 kb. Marcadores epigenéticos também são adicionados para definir domínios transcricionalmente ativos (eucromatina) ou reprimidos (heterocromatina), que são, por sua vez, organizados em territórios cromossômicos distintos dentro do núcleo. Outras proteínas, incluindo polimerases, seguem ao longo da cadeia, introduzindo superenrolamento positivo e estresse de torção à frente deles, e superenrolamentos negativos em seu rastro, enquanto topoisomerases ajudam a decatenar cadeias entrelaçadas para controlar ainda mais a topologia.

Em seu artigo recente para ACS Nano, o estilo do autor de seus planos genoma-em-uma-caixa com visão de futuro após a chamada construção teórica partícula-em-uma-caixa tão valorizada na física. Eles ainda propõem que princípios físicos abrangentes, incluindo separação de fases e ideias da física de polímeros, podem ajudar a guiar o experimento. A esperança deles é que esses estudos in vitro de térreo forneçam uma visão sobre a verdadeira natureza dos cromossomos que os métodos de imagem de cima para baixo baseados em fluorescência e imunoprecipitação simplesmente não podem fornecer. Mas tudo isso vai realmente funcionar? Em cromossomos de ocorrência natural, por exemplo, os processos acima nem sempre seguem uns aos outros em uma sequência de travamento. Ajustes epigenéticos e envoltura de histona podem estar acontecendo em um ponto, enquanto a extrusão do loop e superenrolamento acontecendo em outro. De fato,
 
Embora o objetivo de recriar um cromossomo eucariótico completo, ou mesmo um cromossomo derivado de bactérias, seja um esforço nobre, talvez os cientistas pudessem começar com algo um pouco mais tratável. O DNA mitocondrial (mtDNA) é organizado em um nucleóide de apenas cerca de 16.600 bps. Em contraste, mesmo nosso menor cromossomo, o cromossomo 21 (não 22 ou Y) é várias ordens de magnitude maior, a 48 milhões de bps. Na verdade, os esforços para recriar nucleoides artificiais in vitro já tiveram algum sucesso inicial usando apenas algumas proteínas organizadoras. Por exemplo, um replissoma mitocondrial mínimofoi usado para estabelecer que Twinkle é a helicase usada na bifurcação de replicação do mtDNA. A polimerase de mtDNA definitiva (POLγ) não pode usar o molde de DNA de fita dupla para a síntese de DNA; no entanto, em combinação com Twinkle, fitas simples de DNA de até 2 kb podem ser sintetizadas. Quando a proteína de ligação de ssDNA (mtSSB) é adicionada à mistura, produtos de DNA de até cerca de 16 kb podem ser feitos - ou seja, do mesmo tamanho do mtDNA de mamífero.

Para fins de argumentação, vamos supor que um cientista inicie a tarefa de tentar construir todos os cromossomos a partir apenas da sequência e da informação do marcador epigenético. Isso é mesmo possível em teoria? Em outras palavras, há informações suficientes no código bruto para garantir que os nucleossomos sejam provisionados nos locais corretos e os loops sejam extrudados nos comprimentos corretos e assim por diante; ou algum modelo funcional de cromossomos existentes para configurar seria necessário para restringir adequadamente a construção de outro?

Dito de outra forma, existe apenas uma solução estável ou ideal para configurar um cromossomo funcional do zero (como proteínas bem-sucedidas sempre se dobrando da maneira adequada), ou existem tantas soluções possíveis que resultariam em organismos completamente diferentes ou mesmo não funcionais? Parece que haveria muitas maneiras. Essas não são simplesmente especulações vãs, porque muitos aspirantes a criadores estão agora em suas pranchetas genéticas. A diferença entre um elefante e um mamute parece ser basicamente uma questão de sequência e epigenética. Portanto, reconstruir mamutes de fontes genéticas degradadas provavelmente não é um exagero.

Mas que tal fazer um dragão? Considerando que em breve teremos sequência cromossômica bastante completa e informações estruturaispara todos os animais existentes, e até mesmo pterossauros e tiranossaurídeos extintos, pode não ser totalmente inconcebível que um bom pacote de BioCAD pudesse ser usado para desenvolver um fac-símile razoável de um dragão. E ainda, não há dragões no registro fóssil. Pelo menos na Terra, um dragão é um animal do Jardim do Éden - presumivelmente, não há como fazer um do zero. Parece razoável que um dragão pudesse ser uma forma fisiológica viável no sentido de que se um grande pterossauro fosse modificado cirurgicamente em um dragão adequado, ele poderia persistir, embora provavelmente estéril, por algum tempo. É outra questão inteiramente diferente se tal animal poderia algum dia ser codificado no DNA e revestido de cromossomos estáveis ​​que poderiam se desenvolver em um animal vivo, reproduzindo-se.

Embora o problema de construir um conjunto de cromossomos de dragão viáveis ​​seja um passo além do esforço genoma-em-uma-caixa para cromossomos animais ou mesmo humanos existentes, ele destaca uma deficiência potencial do esquema. Pode ser possível, eventualmente, fazer um certo cromossomo a partir da sequência, mas talvez não seja possível fazer o cromossomo realmente correto, particularmente se for feito isoladamente. Em outras palavras, os cromossomos podem precisar uns dos outros, fisicamente, para se construir. Os cromossomos interagem de maneira diferente entre si em diferentes fases do ciclo celular e em vários estágios de desenvolvimento. Fases distintas de reinicialização epigenética ocorrem durante o desenvolvimento das células germinativas e embrionárias.

Por exemplo, células de esperma em diferenciação eliminam suas histonas e vestem temporariamente camadas de protamina para adotar uma configuração mais compacta em preparação para encontrar suas contrapartes no óvulo. Por algum tempo depois disso, os cromossomos retêm alguma memória de seu pai original. Uma vez que os cromossomos mudam continuamente sua própria estrutura ao longo do desenvolvimento celular e do organismo, uma pergunta básica para um 'genoma em uma caixa' pode ser: qual estágio do cromossomo queremos tentar fazer primeiro?

 

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