A evolução natural éum processo lento que depende do acaºmulo gradual de mutações genanãticas. Nos últimos anos, os cientistas encontraram maneiras de acelerar o processo em pequena escala, permitindo-lhes criar rapidamente novas protea­nas e outras moléculas em seu laboratório.

Esta técnica amplamente utilizada, conhecida como evolução direcionada, rendeu novos anticorpos para tratar o câncer e outras doena§as, enzimas usadas na produção de biocombusta­veis e agentes de imagem para ressonância magnanãtica (MRI).

Os pesquisadores do MIT desenvolveram agora uma plataforma roba³tica que pode realizar 100 vezes mais experimentos de evolução direcionada em paralelo , dando a muito mais populações a chance de chegar a uma solução, enquanto monitoram seu progresso em tempo real. Além de ajudar os pesquisadores a desenvolver novas moléculas mais rapidamente, a técnica também pode ser usada para simular a evolução natural e responder a questões fundamentais sobre como ela funciona.

"Tradicionalmente, a evolução dirigida tem sido muito mais uma arte do que uma ciaªncia, muito menos uma disciplina de engenharia. E isso permanece verdadeiro atéque vocêpossa explorar sistematicamente diferentes permutações e observar os resultados", diz Kevin Esvelt, professor assistente no Media Lab do MIT e o autor saªnior do novo estudo.

A estudante de graduação do MIT, Erika DeBenedictis, e a pa³s-doutoranda Emma Chory são as principais autoras do artigo, que aparece hoje na Nature Methods .

A evolução dirigida funciona acelerando o acaºmulo e a seleção de novas mutações. Por exemplo, se os cientistas quisessem criar um anticorpo que se ligasse a uma protea­na cancerosa, eles comea§ariam com um tubo de ensaio de centenas de milhões de células de levedura ou outros micróbios que foram projetados para expressar anticorpos de mama­feros em suassuperfÍcies. Essas células seriam expostas a  protea­na cancerosa a  qual os pesquisadores querem que o anticorpo se ligue, e os pesquisadores escolheriam aquelas que se ligam melhor.

Os cientistas então introduziriam mutações aleata³rias na sequaªncia de anticorpos e rastreariam essas novas protea­nas novamente. O processo pode ser repetido várias vezes atéque surja o melhor candidato.

Ha¡ cerca de 10 anos, como estudante de graduação na Universidade de Harvard, Esvelt desenvolveu uma maneira de acelerar a evolução direcionada. Essa abordagem aproveita bacteria³fagos (va­rus que infectam bactanãrias) para ajudar as protea­nas a evoluir mais rapidamente em direção a uma função desejada. O gene que os pesquisadores esperam otimizar estãoligado a um gene necessa¡rio para a sobrevivaªncia do bacteria³fago, e os va­rus competem entre si para otimizar a protea­na. O processo de seleção éexecutado continuamente, encurtando cada ciclo de mutação para a vida útil do bacteria³fago (que éde cerca de 20 minutos) e pode ser repetido muitas vezes, sem necessidade de intervenção humana.

Usando este manãtodo, conhecido como evolução conta­nua assistida por fago (PACE), a evolução direcionada pode ser realizada 1 bilha£o de vezes mais rápido do que os experimentos tradicionais de evolução direcionada. No entanto, a evolução muitas vezes falha em encontrar uma solução, exigindo que os pesquisadores adivinhem qual novo conjunto de condições se saira¡ melhor.

A técnica descrita no novo artigo da Nature Methods , que os pesquisadores chamaram de evolução quase conta­nua assistida por fago e roba³tica (PRANCE), pode evoluir 100 vezes mais populações em paralelo, usando diferentes condições.

No novo sistema PRANCE, as populações de bacteria³fagos (que são podem infectar uma cepa especa­fica de bactanãrias) são cultivadas em poa§os de uma placa de 96 poa§os, em vez de um aºnico biorreator. Isso permite que muitas outras trajeta³rias evolutivas ocorram simultaneamente. Cada população viral émonitorada por um roba´ enquanto passa pelo processo de evolução. Quando o va­rus consegue gerar a protea­na desejada, ele produz uma protea­na fluorescente que o roba´ pode detectar.

"O roba´ pode cuidar dessa população de va­rus medindo essa leitura, o que permite ver se os va­rus estãotendo um bom desempenho ou se estãorealmente lutando e algo precisa ser feito para ajuda¡-los", diz DeBenedictis.

Se os va­rus estãolutando para sobreviver, o que significa que a protea­na alvo não estãoevoluindo da maneira desejada, o roba´ pode ajudar a salva¡-los da extinção, substituindo as bactanãrias que estãoinfectando por uma cepa diferente que torna mais fa¡cil para os va­rus se replicarem . Isso evita que a população morra, o que éa causa do fracasso de muitos experimentos de evolução direcionada.

"Podemos ajustar essas evoluções em tempo real, em resposta direta ao quanto bem essas evoluções estãoocorrendo", diz Chory. "Podemos dizer quando um experimento estãodando certo e podemos mudar o ambiente, o que nos da¡ muito mais chutes a gol, o que éa³timo tanto do ponto de vista da bioengenharia quanto do ponto de vista da ciência ba¡sica."

Neste estudo, os pesquisadores usaram sua nova plataforma para criar uma molanãcula que permite que os va­rus codifiquem seus genes de uma nova maneira. O ca³digo genanãtico de todos os organismos vivos estipula que três pares de bases de DNA especificam um aminoa¡cido. No entanto, a equipe do MIT foi capaz de desenvolver várias moléculas de RNA de transferaªncia viral (tRNA) que leem quatro pares de bases de DNA em vez de três.

Em outro experimento, eles desenvolveram uma molanãcula que permite aos va­rus incorporar um aminoa¡cido sintanãtico a s protea­nas que produzem. Todos os va­rus e células vivas usam os mesmos 20 aminoa¡cidos naturais para construir suas protea­nas, mas a equipe do MIT foi capaz de gerar uma enzima que pode incorporar um aminoa¡cido adicional chamado Boc-lisina.

Os pesquisadores agora estãousando o PRANCE para tentar fazer novos medicamentos de moléculas pequenas. Outras aplicações possa­veis para este tipo de evolução direcionada em grande escala incluem tentar evoluir enzimas que degradam o pla¡stico de forma mais eficiente, ou moléculas que podem editar o epigenoma, da mesma forma como o CRISPR pode editar o genoma, dizem os pesquisadores.

Com este sistema, os cientistas também podem obter uma melhor compreensão do processo passo a passo que leva a um determinado resultado evolutivo. Como eles podem estudar tantas populações em paralelo, eles podem ajustar fatores como a taxa de mutação, o tamanho da população original e as condições ambientais e, em seguida, analisar como essas variações afetam o resultado. Esse tipo de experimento controlado em grande escala poderia permitir que eles respondessem potencialmente a questões fundamentais sobre como a evolução ocorre naturalmente.

"Nosso sistema nos permite realmente realizar essas evoluções com uma compreensão substancialmente maior do que estãoacontecendo no sistema", diz Chory. "Podemos aprender sobre a história da evolução, não apenas o ponto final."