Bioengenheiros modelaram o funcionamento da forma de vida sintética mais básica do mundo

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Créditos: Luthey-Schulten et al., Cell, 2022.

Por Mike McRae
Publicado na ScienceAlert

A vida é complexa. Mesmo as menores células contêm uma variedade incrível de reações químicas que lhes permitem prosperar em um cenário caótico.

Se quisermos saber onde traçar a linha entre a vida e as bolhas antigas de uma sopa orgânica, deveríamos remover todo o conteúdo extra não essencial para expor os componentes principais e, em seguida, mapear como cada um deles funciona.

Este tem sido o objetivo dos bioquímicos por vários anos, que, ao longo dos anos, conseguiram projetar alguns organismos surpreendentemente básicos que mal se parecem com algo vivo em laboratórios.

Agora, cientistas do Instituto J. Craig Venter e da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, nos EUA, e da Universidade Técnica de Dresden, na Alemanha, deram o próximo passo e construíram uma simulação detalhada de seu último micróbio minimalista.

“O que há de novo aqui é que desenvolvemos um modelo cinético tridimensional e totalmente dinâmico de uma célula mínima viva que imita o que acontece na célula real”, disse Zaida Luthey-Schulten, química da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

Luthey-Schulten liderou uma equipe de pesquisadores na análise das diversas mudanças genéticas, metabólicas e estruturais que ocorrem em uma cultura replicante de bactérias sintéticas chamada JCVI-syn3A.

Simular o funcionamento do mais básico dos organismos, como espécies de Mycoplasma ou o micróbio comum Escherichia coli, ainda requer alguns fatores matemáticos para modelar amplamente as operações de vários subsistemas. Tecer toda a gama de descrições detalhadas de tudo, desde os genes até os nutrientes, simplesmente não foi possível, mesmo para essas bactérias comparativamente simples.

No início dos anos 2000, pesquisadores do Instituto J. Craig Venter removeram tantos genes quanto puderam do Mycoplasma mycoides, sobrando uma versão que estava no limite da sobrevivência.

Essa forma de vida sintética, chamada JCVI-syn1.0, logo foi substituída por algo ainda mais básico. JCVI-syn3.0.

Esta versão atualizada contém apenas 531.000 bases divididas entre 473 genes. Com todas as suas necessidades nutricionais fornecidas pelo laboratório, seu genoma básico é deixado para cuidar da replicação, crescimento e algumas poucas funções.

Ainda assim, JCVI-syn3.0 não é exatamente consistente em seu crescimento, produzindo uma confusa diversidade de formas em sua progênie. Alguns genes foram devolvidos, resultando na versão mais recente da célula mínima: JCVI-syn3A.

Seus criadores têm uma ideia sólida de quais genes sua célula sintética contém, embora ainda estejam descobrindo exatamente o que cada um faz.

Para tornar as coisas ainda mais difíceis, é vital saber como cada átomo e molécula se difunde pela célula, uma descrição que requer poder computacional pesado para simular.

“Desenvolvemos um modelo cinético tridimensional e totalmente dinâmico de uma célula viva mínima”, disse Luthey-Schulten. “Nosso modelo nos ajuda a compreender o funcionamento interno da célula, mostrando-nos como todos os componentes interagem e mudam em resposta a estímulos internos e externos. Este modelo – e outros modelos mais sofisticados que virão – nos ajudarão a entender melhor o princípios fundamentais da vida”.

A simulação confirmou algumas suspeitas, no entanto, como o fato de que a maior parte da energia da célula minimalista foi para arrastar materiais essenciais através das membranas.

Também forneceu uma descrição precisa das linhas do tempo das reações genéticas e metabólicas, explicando as relações entre a taxa de produção de lipídios e proteínas na membrana e as mudanças na forma da célula.

Como os JCVI-syn3A são essencialmente versões reduzidas de um organismo natural, eles são apenas um exemplo de como minimizar as funções da biologia. A vida não é nada senão criativa na forma como supera os obstáculos à sobrevivência.

Agora que temos um modelo comprovado para simular o crescimento e desenvolvimento do JCVI-syn3A, os pesquisadores podem aumentar sua complexidade novamente para determinar como diferentes genes contribuem para sua função.

Podemos esperar novas versões ‘lite’ não apenas de M. mycoides, mas de outros organismos em um futuro próximo. Se não completamente novas formas de vida sintéticas.

A vida ainda pode ser complexa, mas ficou muito mais fácil estudar.

A pesquisa foi publicada na Cell.