Tecnologia Científica

Os genes podem responder a informações codificadas em sinais - ou filtra¡-los inteiramente
O estudo mostra como um aºnico mecanismo pode desencadear diferentes comportamentos do mesmo gene - e tem aplicações no setor de biotecnologia.
Por Matt Shipman - 31/08/2021


Crédito CC0: doma­nio paºblico

Uma nova pesquisa da North Carolina State University demonstra que os genes são capazes de identificar e responder a informações codificadas em sinais de luz, bem como filtrar alguns sinais inteiramente. O estudo mostra como um aºnico mecanismo pode desencadear diferentes comportamentos do mesmo gene - e tem aplicações no setor de biotecnologia.

"A ideia fundamental aqui éque vocêpode codificar informações na dina¢mica de um sinal que um gene estãorecebendo", diz Albert Keung, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor assistente de engenharia química e biomolecular na NC State. "Portanto, em vez de um sinal simplesmente estar presente ou ausente, a forma como o sinal estãosendo apresentado éimportante."

Para este estudo, os pesquisadores modificaram uma canãlula de levedura para que ela tenha um gene que produza protea­nas fluorescentes quando a canãlula éexposta a  luz azul .

a‰ assim que funciona. Uma regia£o do gene chamada promotor éresponsável por controlar a atividade do gene. Nas células de levedura modificadas , uma protea­na especa­fica se liga a  regia£o promotora do gene. Quando os pesquisadores iluminam essa protea­na, ela se torna receptiva a uma segunda protea­na. Quando a segunda protea­na se liga a  primeira protea­na, o gene se torna ativo. E isso éfa¡cil de detectar, já que o gene ativado produz protea­nas que brilham no escuro.

Os pesquisadores então expuseram essas células de levedura a 119 padraµes de luz diferentes. Cada padrãode luz diferia em termos da intensidade da luz, da duração de cada pulso de luz e da frequência com que os pulsos ocorriam. Os pesquisadores então mapearam a quantidade de protea­na fluorescente que as células produziram em resposta a cada padrãode luz.

As pessoas falam sobre genes sendo ativados ou desativados, mas émenos como um interruptor de luz e mais como um interruptor de dimmer - um gene pode ser ativado um pouco, muito ou em qualquer lugar entre os dois. Se um determinado padrãode luz levou a  produção de uma grande quantidade de protea­na fluorescente, isso significa que o padrãode luz tornou o gene muito ativo. Se o padrãode luz levou a  produção de apenas uma pequena protea­na fluorescente, isso significa que o padrãoapenas desencadeou uma atividade moderada do gene.

"Descobrimos que diferentes padraµes de luz podem produzir resultados muito diferentes em termos de atividade genanãtica", disse Jessica Lee, primeira autora do artigo e um recente Ph.D. graduado pela NC State. "A grande surpresa, para nós, foi que a saa­da não estava diretamente correlacionada a  entrada. Nossa expectativa era que quanto mais forte o sinal, mais ativo o gene seria. Mas esse não era necessariamente o caso. Um padrãode luz pode tornar o gene significativamente mais ativo do que outro padrãode luz, mesmo se ambos os padraµes estivessem expondo o gene a  mesma quantidade de luz. "
 
Os pesquisadores descobriram que todas as três varia¡veis ​​de padrãode luz - intensidade da luz, frequência dos pulsos de luz e quanto tempo cada pulso durou - podem influenciar a atividade do gene, mas descobriram que controlar a frequência dos pulsos de luz deu a eles o controle mais preciso sobre o gene atividade.

"Tambanãm usamos os dados experimentais aqui para desenvolver um modelo computacional que nos ajudou a entender melhor por que diferentes padraµes produzem diferentes na­veis de atividade gaªnica", diz Leandra Caywood, coautora do artigo e Ph.D. estudante na NC State.

"Por exemplo, descobrimos que quando vocêagrupa pulsos rápidos de luz muito pra³ximos, vocêobtanãm mais atividade genanãtica do que seria de esperar da quantidade de luz aplicada", diz Caywood. "Usando o modelo, fomos capazes de determinar que isso estãoacontecendo porque as protea­nas não podem se separar e voltar juntas com rapidez suficiente para responder a cada pulso. Basicamente, as protea­nas não tem tempo para se separar totalmente entre si entre os pulsos , portanto, passam mais tempo conectados - o que significa que o gene passa mais tempo ativado. Compreender esses tipos de dina¢mica émuito útil para nos ajudar a descobrir como controlar melhor a atividade do gene usando esses sinais. "

"Nossa descoberta érelevante para células que respondem a  luz, como as encontradas nas folhas", diz Keung. "Mas também nos diz que os genes respondem a padraµes de sinal, que podem ser transmitidos por outros mecanismos além da luz."

Veja como isso pode ser na prática . Uma canãlula pode receber um sinal qua­mico. A presença do produto qua­mico não pode ser padronizada - estãopresente ou não. No entanto, a canãlula pode responder a  presença da substância química criando um sinal padronizado para o gene alvo. A canãlula faz isso controlando a taxa na qual a protea­na que se liga a  regia£o do promotor entra e sai do núcleo da canãlula. Pense em controlar a presença e ausaªncia dessa protea­na como o envio de uma mensagem em ca³digo morse da canãlula para o gene. Dependendo de um conjunto de outras varia¡veis ​​- como a presença de outros produtos químicos - a canãlula pode ajustar a mensagem que envia ao gene para modular sua atividade.

"Isso nos diz que vocêpode usar a mesma protea­na para dar mensagens diferentes ao mesmo gene", diz Keung. "Assim, a canãlula pode usar uma protea­na para que um gene responda de maneira diferente a diferentes produtos qua­micos."

Em um conjunto separado de experimentos, os pesquisadores descobriram que os genes também eram capazes de filtrar alguns sinais. A meca¢nica disso édireta e misteriosa. Os pesquisadores puderam dizer que, quando uma segunda protea­na se ligava a  regia£o promotora do gene, algumas frequências de pulsos de luz não desencadeavam a produção de protea­nas fluorescentes . Em suma, os pesquisadores sabem que a segunda protea­na garante que um gene responda apenas a um conjunto especa­fico de sinais - mas os pesquisadores não sabem exatamente como a segunda protea­na faz isso.

Os pesquisadores também descobriram que podiam controlar o número de sinais distintos aos quais um gene poderia responder, manipulando o número e o tipo de protea­nas ligadas a  regia£o promotora do gene.

Por exemplo, vocêpode anexar protea­nas a  regia£o promotora que servem como filtros para limitar o número de sinais que ativam o gene. Ou vocêpode anexar protea­nas a  regia£o promotora que desencadeiam diferentes graus de ativação do gene.

"Uma contribuição adicional deste trabalho éque determinamos que podemos comunicar cerca de 1,71 bits de informação por meio da regia£o promotora de um gene com apenas um anexo de protea­na", disse Lee. "Em termos práticos, isso significa que o gene, sem uma rede complexa de anexos de protea­nas , écapaz de distinguir entre mais de 3 sinais sem erro. Trabalhos anteriores definiram essa linha de base em 1,55 bits, então este estudo avana§a nosso entendimento do que épossí­vel aqui . a‰ uma base sobre a qual podemos construir. "

Os pesquisadores afirmam que este trabalho possibilita estudos futuros que avancem nossa compreensão da dina¢mica do comportamento celular e da expressão gaªnica.

A curto prazo, os pesquisadores dizem que háplicações prática s para o trabalho nos setores farmacaªutico e de biotecnologia.

"Na biofabricação, muitas vezes vocêdeseja gerenciar o crescimento das células e a taxa em que essas células estãoproduzindo protea­nas especa­ficas", diz Lee. "Nosso trabalho aqui pode ajudar os fabricantes a ajustar e controlar ambas as varia¡veis."

O artigo, "Mapeando as funções de transferaªncia dina¢mica da regulação do gene eucaria³tico", serápublicado em 31 de agosto na revista Cell Systems .

 

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