Os cientistas continuam a expandir as fronteiras tecnológicas do CRISPR, junto com seu enorme potencial, em áreas que vão desde a saúde humana até o abastecimento global de alimentos. Esse é o caso dos genes drives baseados em CRISPR, uma ferramenta de edição genética projetada para influenciar a forma como os elementos genéticos são transmitidos de uma geração para a seguinte.
Gene drives projetados para mosquitos têm o potencial de conter a propagação de infecções por malária que causam centenas de milhares de mortes a cada ano, mas questões de segurança foram levantadas, uma vez que tais drives podem se espalhar rapidamente e dominar populações inteiras. Os cientistas exploraram os princípios que governam a disseminação de elementos de acionamento genético em populações-alvo, como mosquitos, testando muitas combinações diferentes de componentes que constituem o aparato de acionamento. Eles descobriram, no entanto, que ainda há mais a explorar e questões-chave permanecem.
no diário Natureza ComunicaçõesPesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego, liderados pelo ex-bolsista de pós-doutorado Gerard Terradas, juntamente com o estudioso de pós-doutorado Zhiqian Li e o professor Ethan Bier, em estreita colaboração com o aluno de pós-graduação da UC Berkeley, Jared Bennett, e o professor associado John Marshall, descrevem o desenvolvimento de um novo sistema para testes e desenvolver unidades genéticas em laboratório e convertê-las com segurança em ferramentas para possíveis aplicações no mundo real.
“Esses estudos capacitam a nova engenharia de sistemas de acionamento genético, ao mesmo tempo em que fornecem informações importantes sobre como avaliar e analisar as principais interações entre suas partes móveis mais importantes”, disse Bier, membro do corpo docente da Escola de Ciências Biológicas, Departamento de Células e Desenvolvimento Biologia.
As unidades genéticas baseadas em CRISPR apresentam uma proteína chamada Cas9 endonuclease e uma molécula de RNA guia que unem forças para direcionar cortes de DNA para locais específicos no genoma onde novos elementos genéticos podem ser inseridos. À medida que o DNA repara esses cortes, os novos elementos genéticos são copiados de um cromossomo para outro, resultando em descendentes que excedem a herança padrão de 50 a 50 por cento, favorecendo os elementos genéticos recém-inserido.
Gene drives vêm em dois “sabores”. Unidades genéticas completas (fGDs) carregam os componentes Cas9 e RNA guia em um pacote unitário vinculado. Em contraste, unidades divididas (sGDs) consistem em dois elementos genéticos que carregam separadamente os componentes Cas9 e guiam o RNA e são inseridos em locais diferentes no genoma. Os sGDs são considerados mais seguros do que os fGDs, pois é possível controlar e testar os componentes carregados por cada um dos elementos separadamente ou em condições em que eles amplificam gradualmente a frequência do componente gRNA. Os pesquisadores projetam os dois elementos para eventualmente se reconectarem, a fim de fornecer os efeitos de um drive genético completo.
No caso da erradicação da malária, os genes completos criaram um entusiasmo considerável devido ao seu potencial como veículos para transferir elementos que interrompem a transmissão de parasitas da malária que causam infecção. Mas os fGDs também levantaram preocupações devido ao seu potencial de se espalhar rapidamente e potencialmente alterar a composição genética de populações inteiras de mosquitos. A experimentação com fGDs requer barreiras e restrições de alta segurança para evitar a fuga não intencional de insetos que carregam tais impulsos para o ambiente aberto.
Este não é o caso das unidades de genes divididas. Como os elementos-chave são separados, os sGDs apresentam muito menos risco de disseminação não intencional e os pesquisadores têm muito mais controle para sua manipulação segura. Experimentos com sGDs podem ser realizados em laboratórios tradicionais, permitindo assim muito mais flexibilidade para testar seu potencial.
Os cientistas foram desafiados, no entanto, no desenvolvimento de sistemas que efetivamente convertem sGDs em fGDs totalmente funcionais. Um desafio enfrentado pela conversão atual de sistemas sGD em fGDs é que eles dependem de dois componentes genéticos separados, cada um dos quais deve manifestar propriedades de acionamento eficientes.
Agora, os cientistas da UC San Diego, que recentemente foram pioneiros no desenvolvimento de genes e tecnologias relacionadas, criaram um sistema de “hacking” genético flexível para converter sGDs em fGDs. Trabalhando em moscas-das-frutas, os pesquisadores desenvolveram uma nova estratégia genética que emprega um RNA guia especialmente projetado, transportado pela parte Cas9 do sGD. Essa ferramenta de hacking corta o componente de cópia do sGD e desencadeia uma troca genética, ou “evento de recombinação”, que insere o Cas9 no elemento que transporta o RNA guia, resultando na criação de um fGD totalmente funcional.
“Primeiro, e mais importante, o estudo fornece prova de princípio para a conversão genética ágil de um sGD em um fGD, o que deve ajudar muito no teste e desenvolvimento de novos sistemas otimizados de acionamento genético”, disse o primeiro autor Terradas , que agora está baseado na Penn State University.
Depois que os pesquisadores desenvolveram seu novo sistema de hacking sGD-to-fGD, alguns resultados surpreendentes começaram a surgir. O fGD recém-hackeado se espalhou por populações de moscas em experimentos de gaiola, como esperado. No entanto, a taxa na qual ele se espalha foi inesperadamente mais lenta do que os modelos previram para um fGD tradicional.
Os colaboradores de pesquisa Bennett e Marshall desenvolveram um modelo matemático que forneceu uma explicação. Seu modelo revelou que, durante a conversão de hacking, os fGDs impõem um custo de aptidão maior às moscas individuais do que os sGDs sozinhos. Esse custo de aptidão, que se desenvolve quando o elemento de acionamento se copia, desaparece após atuar em todos os cromossomos-alvo potenciais da população.
“O estudo revela complexidades imprevistas em como os componentes do gene funcionam juntos, revelando que não se pode simplesmente supor como componentes separados podem interagir quando reunidos”, disse Bennett.
o Natureza Comunicações lista completa de autores do artigo: Gerard Terradas, Jared Bennett, Zhiqian Li, John Marshall e Ethan Bier.
Com informações de Science Daily.