Tecnologia Científica

A nova tecnologia permite o design preditivo de células humanas projetadas
Uma das fronteiras mais interessantes da medicina é o uso de células vivas como terapias. Usando essa abordagem para tratar o câncer, por exemplo, muitos pacientes foram curados de doenças anteriormente intratáveis.
Por Megan Fellman - 19/02/2021


Biólogos sintéticos alcançaram um avanço no design de células vivas. Crédito: Justin Muir

O biólogo sintético da Northwestern University Joshua Leonard costumava construir dispositivos quando era criança usando kits eletrônicos. Agora, ele e sua equipe desenvolveram um processo orientado a design que usa peças de um tipo muito diferente de kit de ferramentas para construir circuitos genéticos complexos para engenharia celular.

Uma das fronteiras mais interessantes da medicina é o uso de células vivas como terapias. Usando essa abordagem para tratar o câncer, por exemplo, muitos pacientes foram curados de doenças anteriormente intratáveis. Esses avanços empregam as abordagens da biologia sintética, um campo crescente que combina ferramentas e conceitos da biologia e da engenharia.

A nova tecnologia da Northwestern usa modelagem computacional para identificar com mais eficiência projetos genéticos úteis antes de construí-los no laboratório. Diante de inúmeras possibilidades, a modelagem aponta os pesquisadores para projetos que oferecem oportunidades reais.

"Para manipular uma célula, primeiro codificamos uma função biológica desejada em um pedaço de DNA, e esse programa de DNA é então entregue a uma célula humana para guiar sua execução da função desejada, como ativar um gene apenas em resposta a certos sinais no ambiente da célula ", disse Leonard. Ele liderou uma equipe de pesquisadores da Northwestern em colaboração com Neda Bagheri da Universidade de Washington para este estudo.

Leonard é professor associado de engenharia química e biológica na McCormick School of Engineering e um dos principais membros do corpo docente do Center for Synthetic Biology da Northwestern. Seu laboratório está focado em usar esse tipo de capacidade de programação para construir terapias, como células modificadas que ativam o sistema imunológico, para tratar o câncer.

Bagheri é professor associado de biologia e engenharia química e investigador da Washington Research Foundation na Universidade de Washington Seattle. Seu laboratório usa modelos computacionais para entender melhor - e subsequentemente controlar - as decisões das células. Leonard e Bagheri coaconselharam Joseph Muldoon, um estudante de doutorado recente e o primeiro autor do artigo.

"O design guiado por modelo foi explorado em tipos de células como bactérias e leveduras, mas esta abordagem é relativamente nova em células de mamíferos", disse Muldoon.

O estudo, no qual dezenas de circuitos genéticos foram projetados e testados, será publicado em 19 de fevereiro na revista Science Advances . Como outras tecnologias de biologia sintética , uma característica-chave dessa abordagem é que ela deve ser prontamente adotada por outros grupos de bioengenharia.
 
Até o momento, continua difícil e demorado desenvolver programas genéticos com base na tentativa e erro. Também é um desafio implementar funções biológicas além das relativamente simples. A equipe de pesquisa usou um "kit de ferramentas" de partes genéticas inventadas no laboratório de Leonard e emparelhou essas partes com ferramentas computacionais para simular muitos programas genéticos potenciais antes de conduzir experimentos. Eles descobriram que uma ampla variedade de programas genéticos, cada um dos quais desempenhando uma função desejada e útil em uma célula humana, pode ser construída de forma que cada programa funcione como previsto. Não só isso, mas os projetos funcionaram da primeira vez.

“Na minha experiência, nada funciona assim na ciência; nada funciona da primeira vez. Geralmente gastamos muito tempo depurando e refinando qualquer novo projeto genético antes de funcionar como desejado”, disse Leonard. "Se cada projeto funcionar conforme o esperado, não estaremos mais limitados a construir por tentativa e erro. Em vez disso, podemos gastar nosso tempo avaliando ideias que podem ser úteis para aprimorar as ideias realmente excelentes."

"Modelos representativos robustos podem ter impacto científico e translacional disruptivo", acrescentou Bagheri. "Este desenvolvimento é apenas a ponta do iceberg."

Os circuitos genéticos desenvolvidos e implementados neste estudo também são mais complexos do que o estado da arte anterior. Esse avanço cria a oportunidade de projetar células para desempenhar funções mais sofisticadas e tornar as terapias mais seguras e eficazes.

"Com esta nova capacidade, demos um grande passo para sermos capazes de realmente projetar a biologia", disse Leonard.

O título do artigo é "Projeto guiado por modelo de programas genéticos de mamíferos".

 

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