Os engenheiros biola³gicos do MIT desenvolveram uma nova maneira de editar genomas bacterianos com eficiência e programar memórias em células bacterianas reescrevendo seu DNA. Usando essa abordagem, várias formas de informações espaciais e temporais podem ser armazenadas permanentemente por gerações e recuperadas por meio do sequenciamento do DNA das células.

A nova técnica de escrita de DNA, que os pesquisadores chamam de HiSCRIBE, émuito mais eficiente do que os sistemas desenvolvidos anteriormente para editar DNA em bactanãrias, que tiveram uma taxa de sucesso de apenas cerca de 1 em 10.000 células por geração. Em um novo estudo, os pesquisadores demonstraram que essa abordagem poderia ser usada para armazenar memória de interações celulares ou localização espacial.

Essa técnica também pode tornar possí­vel editar, ativar ou silenciar seletivamente genes em certas espanãcies de bactanãrias que vivem em uma comunidade natural, como o microbioma humano, dizem os pesquisadores.

“Com este novo sistema de escrita de DNA, podemos editar genomas bacterianos com precisão e eficiência, sem a necessidade de qualquer forma de seleção, dentro de ecossistemas bacterianos complexos”, diz Fahim Farzadfard, ex-pa³s-doutorado do MIT e principal autor do artigo. “Isso nos permite realizar a edição do genoma e a escrita do DNA fora dos ambientes de laboratório, seja para criar bactanãrias, otimizar caracteri­sticas de interesse in situ ou estudar a dina¢mica evolutiva e as interações nas populações bacterianas”.

Timothy Lu, professor associado do MIT de engenharia elanãtrica e ciência da computação e de engenharia biológica, éo autor saªnior do estudo, que aparece hoje na Cell Systems . Nava Gharaei, ex-aluno de pós-graduação da Universidade de Harvard, e Robert Citorik, ex-aluno de pós-graduação do MIT, também são autores do estudo.

Por vários anos, o laboratório de Lu tem trabalhado em maneiras de usar o DNA para armazenar informações, como a memória de eventos celulares. Em 2014, ele e Farzadfard desenvolveram uma maneira de empregar bactanãrias como um “ gravador gena´mico ”, projetando E. coli para armazenar memórias de longo prazo de eventos, como uma exposição química.

Para conseguir isso, os pesquisadores projetaram as células para produzir uma enzima transcriptase reversa chamada retron, que produz um DNA de fita simples (ssDNA) quando expresso nas células, e uma enzima recombinase, que pode inserir ("escrever") uma sequaªncia especa­fica de DNA de fita simples em um local-alvo no genoma. Esse DNA éproduzido apenas quando ativado pela presença de uma molanãcula pré-determinada ou outro tipo de entrada, como a luz. Depois que o DNA éproduzido, a recombinase insere o DNA em um local pré-programado, que pode estar em qualquer parte do genoma.

Essa técnica, que os pesquisadores chamaram de SCRIBE, tinha uma eficiência de escrita relativamente baixa. Em cada geração, de cada 10.000 células de E. coli , apenas uma adquiria o novo DNA que os pesquisadores tentaram incorporar a s células. Isso ocorre em parte porque a E. coli tem mecanismos celulares que evitam que o DNA de fita simples seja acumulado e integrado em seus genomas.

No novo estudo, os pesquisadores tentaram aumentar a eficiência do processo eliminando alguns dos mecanismos de defesa da E. coli contra o DNA de fita simples. Primeiro, eles desativaram enzimas chamadas exonucleases, que quebram o DNA de fita simples. Eles também eliminaram genes envolvidos em um sistema chamado reparo de incompatibilidade, que normalmente impede a integração do DNA de fita simples no genoma.

Com essas modificações, os pesquisadores conseguiram uma incorporação quase universal dasmudanças genanãticas que tentaram introduzir, criando uma forma incompara¡vel e eficiente de editar genomas bacterianos sem a necessidade de seleção.

“Por causa dessa melhoria, fomos capazes de fazer algumas aplicações que não poda­amos fazer com a geração anterior do SCRIBE ou com outras tecnologias de gravação de DNA”, diz Farzadfard.

Em seu estudo de 2014, os pesquisadores mostraram que poderiam usar o SCRIBE para registrar a duração e a intensidade da exposição a uma molanãcula especa­fica. Com seu novo sistema HiSCRIBE, eles podem rastrear esses tipos de exposições, bem como tipos adicionais de eventos, como interações entre células.

Como exemplo, os pesquisadores mostraram que podiam rastrear um processo chamado conjugação bacteriana, durante o qual as bactanãrias trocam pedaço s de DNA. Ao integrar um “ca³digo de barras” de DNA no genoma de cada canãlula, que pode então ser trocado com outras células, os pesquisadores podem determinar quais células interagiram umas com as outras sequenciando seu DNA para ver quais ca³digos de barras elas carregam.

Esse tipo de mapeamento pode ajudar os pesquisadores a estudar como as bactanãrias se comunicam entre si em agregados, como biofilmes. Se uma abordagem semelhante pudesse ser implantada em células de mama­feros, poderia algum dia ser usada para mapear as interações entre outros tipos de células, como os neura´nios, diz Farzadfard. Os va­rus que podem cruzar as sinapses neurais podem ser programados para carregar ca³digos de barras de DNA que os pesquisadores podem usar para rastrear conexões entre os neura´nios, oferecendo uma nova maneira de ajudar a mapear o conectoma do cérebro.

“Estamos usando o DNA como mecanismo para registrar informações espaciais sobre a interação de células bacterianas e, talvez, no futuro, neura´nios que foram marcados”, diz Farzadfard.

Os pesquisadores também mostraram que poderiam usar essa técnica para editar especificamente o genoma de uma espanãcie de bactanãria dentro de uma comunidade de muitas espanãcies. Nesse caso, eles introduziram o gene para uma enzima que decompaµe a galactose em células de E. coli crescendo em cultura com várias outras espanãcies de bactanãrias.

Esse tipo de edição seletiva de espanãcies pode oferecer uma nova maneira de tornar as bactanãrias resistentes a antibia³ticos mais suscetíveis aos medicamentos existentes, silenciando seus genes de resistência, dizem os pesquisadores. No entanto, esses tratamentos provavelmente exigiriam vários anos a mais de pesquisas para serem desenvolvidos, dizem eles.

Os pesquisadores também mostraram que poderiam usar essa técnica para projetar um ecossistema sintanãtico feito de bactanãrias e bacteria³fagos que podem reescrever continuamente certos segmentos de seu genoma e evoluir de forma auta´noma a uma taxa maior do que seria possí­vel pela evolução natural. Nesse caso, eles conseguiram otimizar a capacidade das células de consumir o consumo de lactose.

“Essa abordagem poderia ser usada para a engenharia evolutiva de caracteri­sticas celulares ou em estudos de evolução experimental, permitindo que vocêrepasse a fita da evolução indefinidamente”, diz Farzadfard.

A pesquisa foi financiada pelo National Institutes of Health, o Office of Naval Research, a National Science Foundation, a Defense Advanced Research Projects Agency, o MIT Center for Microbiome Informa¡tica e Terapaªutica, o NSF Expeditions in Computing Program Award e o Schmidt Science Programa de bolsistas.