Mesmo formas de vida sintéticas com um minúsculo genoma podem evoluir | Revista Quanta

Sete anos atrás, os pesquisadores mostraram que podiam desnudar as células até seus fundamentos mais básicos, criando uma forma de vida com o menor genoma que ainda permitia que ela crescesse e se dividisse em laboratório. Mas, ao perder metade de sua carga genética, essa célula “mínima” também perdeu um pouco da robustez e adaptabilidade que a vida natural desenvolveu ao longo de bilhões de anos. Isso deixou os biólogos se perguntando se a redução poderia ter sido uma viagem sem volta: ao reduzir as células ao essencial, eles deixaram as células incapazes de evoluir porque não poderiam sobreviver a uma mudança em mais um gene?

Agora temos provas de que mesmo um dos organismos auto-replicantes mais fracos e simples do planeta pode se adaptar. Durante apenas 300 dias de evolução no laboratório, o equivalente geracional de 40,000 anos humanos, míseras células mínimas recuperaram toda a aptidão que haviam sacrificado, uma equipe da Universidade de Indiana relataram recentemente na revista Natureza. Os pesquisadores descobriram que as células responderam às pressões de seleção tão bem quanto as minúsculas bactérias das quais foram derivadas. Um segundo grupo de pesquisa da Universidade da Califórnia, em San Diego, chegou a uma conclusão semelhante de forma independente em um trabalho que foi aceito para publicação.

“Acontece que a vida, mesmo uma vida tão simples como uma célula mínima, é muito mais robusta do que pensávamos”, disse Kate Adamala, um bioquímico e professor assistente da Universidade de Minnesota que não esteve envolvido em nenhum dos estudos. “Você pode jogar pedras nele, e ainda vai sobreviver.” Mesmo em um genoma onde cada gene serve a um propósito, e uma mudança aparentemente seria prejudicial, a evolução molda os organismos de forma adaptativa.

“É uma conquista impressionante”, disse Roseana Zia, um físico da Universidade de Missouri cuja pesquisa visa construir um modelo baseado em física de uma célula mínima e que não esteve envolvido no estudo. O novo trabalho mostrou que, mesmo sem recursos genéticos de sobra, ela disse, as células mínimas poderiam aumentar sua aptidão com mudanças aleatórias em genes essenciais.

Os novos experimentos de evolução estão começando a fornecer informações sobre como os organismos menores e mais simples podem evoluir – e como os princípios da evolução unem todas as formas de vida, até mesmo as novidades genéticas desenvolvidas em laboratórios. “Cada vez mais, estamos vendo evidências de que esta [célula mínima] é um organismo que não é algo bizarro e diferente do resto da vida na Terra”, disse John Glass, autor do estudo. Natureza estudo e líder do grupo de biologia sintética no J. Craig Venter Institute (JCVI) na Califórnia que primeiro projetou a célula mínima.

E Se Nós 'Deixarmos Soltar'?

Assim como os físicos dos séculos 19 e 20 usaram o hidrogênio, o mais simples de todos os átomos, para fazer descobertas seminais sobre a matéria, os biólogos sintéticos desenvolveram células mínimas para estudar os princípios básicos da vida. Esse objetivo foi alcançado em 2016, quando Glass e seus colegas produziu uma célula mínima, JCVI-syn3.0. Eles modelaram depois Mycoplasma micoides, uma bactéria parasita de cabras que já sobrevive com um genoma muito pequeno. Em 2010, a equipe projetou o JCVI-syn1.0, uma versão sintética da célula bacteriana natural. Usando-o como guia, eles elaboraram uma lista de genes conhecidos como essenciais, os reuniram em uma célula de levedura e então transferiram esse novo genoma para uma célula bacteriana intimamente relacionada que foi esvaziada de seu DNA original.

Dois anos depois, em uma conferência na Nova Inglaterra, Jay Lennon, um biólogo evolutivo da Indiana University Bloomington, ouviu uma palestra de Clyde Hutchison, um professor emérito da JCVI que liderou a equipe de engenharia da célula mínima. Depois, Lennon perguntou a ele: "O que acontece quando você solta esse organismo?" Ou seja, o que aconteceria com as células mínimas se fossem submetidas a pressões de seleção natural como as bactérias na natureza?

Para Lennon, como biólogo evolutivo, a questão era óbvia. Mas depois que ele e Hutchison ponderaram por alguns minutos, ficou claro que a resposta não era.

A célula mínima “é um tipo de vida – é um tipo de vida artificial, mas ainda é vida”, disse Lennon, porque preenche a definição mais básica de vida como algo capaz de se reproduzir e crescer. Deveria, portanto, responder às pressões evolutivas da mesma forma que gorilas, sapos, fungos e todos os outros organismos o fazem. Mas a hipótese abrangente era que o genoma simplificado poderia “incapacitar a capacidade deste organismo de evoluir de forma adaptativa”, disse Lennon.

Ninguém tinha ideia do que realmente aconteceria, no entanto, porque os pesquisadores geralmente tomam muito cuidado para impedir que células mínimas evoluam. Quando amostras das células são distribuídas pela JCVI para qualquer um dos cerca de 70 laboratórios que agora trabalham com elas, elas são entregues intactas e congeladas a 80 graus Celsius negativos. Quando você os tira, é como o primeiro dia deles na Terra, disse Lennon: “São células novas que nunca viram um dia de evolução”.

Pouco depois do encontro, Hutchison colocou Lennon em contato com Glass, que compartilhou amostras das células mínimas de sua equipe com o laboratório de Lennon em Indiana. Então Lennon e Roy Moger-Reischer, seu aluno de pós-graduação na época, começaram a trabalhar.

Testando as células simplificadas

Eles começaram com um experimento destinado a medir as taxas de mutação nas células mínimas. Eles transferiram repetidamente uma porção da crescente população celular mínima para placas de Petri, o que liberou as células para crescerem sem influências restritivas como a competição. Eles descobriram que a célula mínima sofreu mutação a uma taxa comparável à da célula modificada. M. micoides - que é a mais alta de qualquer taxa de mutação bacteriana registrada.

As mutações nos dois organismos foram bastante semelhantes, mas os pesquisadores notaram que um viés mutacional natural foi exagerado na célula mínima. No M. micoides células, uma mutação tinha 30 vezes mais chances de trocar um A ou um T no código genético por um G ou um C do que o contrário. Na célula mínima, era 100 vezes mais provável. A provável explicação é que alguns genes removidos durante o processo de minimização normalmente impedem essa mutação.

Em uma segunda série de experimentos, em vez de trazer um pequeno grupo de células, os pesquisadores transferiram densas populações de células por 300 dias e 2,000 gerações. Isso permitiu que ocorresse mais competição e seleção natural, favorecendo mutações benéficas e o surgimento de variantes genéticas que acabaram chegando a todas as células.

Para medir a aptidão das células, eles calcularam sua taxa máxima de crescimento a cada 65 a 130 gerações. Quanto mais rápido as células cresciam, mais células filhas elas produziam para a próxima geração. Para comparar a aptidão de células mínimas evoluídas e não evoluídas, os pesquisadores as fizeram competir contra as bactérias ancestrais. Eles mediram a abundância das células no início do experimento e após 24 horas.

Eles calcularam que a célula mínima original havia perdido 53% de sua aptidão relativa junto com seus genes não essenciais. A minimização “deixou a célula doente”, disse Lennon. No entanto, ao final dos experimentos, as células mínimas desenvolveram toda aquela aptidão de volta. Eles poderiam ir de igual para igual contra as bactérias ancestrais.

“Isso me surpreendeu”, disse Antonio Vecchiarelli, um microbiologista da Universidade de Michigan que não participou do estudo. “Você pensaria que, se tiver apenas genes essenciais, agora você realmente limitou a quantidade de evolução que … pode ir na direção positiva”.

No entanto, o poder da seleção natural era claro: ela otimizou rapidamente a aptidão até mesmo do organismo autônomo mais simples, que tinha pouca ou nenhuma flexibilidade para mutação. Quando Lennon e Moger-Reischer ajustaram a aptidão relativa dos organismos, descobriram que as células mínimas evoluíram 39% mais rápido do que as sintéticas. M. micoides bactérias das quais foram derivados.

O trade-off medo-ganância

O estudo foi um primeiro passo “incrivelmente instigante”, disse Vecchiarelli. É incerto o que aconteceria se as células continuassem evoluindo: elas recuperariam alguns dos genes ou a complexidade que perderam no processo de minimização? Afinal, a própria célula mínima ainda é um mistério. Cerca de 80 dos genes essenciais para sua sobrevivência não têm função conhecida.

As descobertas também levantam questões sobre quais genes precisam permanecer na célula mínima para que a seleção natural e a evolução ocorram.

Desde 2016, a equipe JCVI adicionou de volta alguns genes não essenciais para ajudar as linhas celulares mínimas a crescer e se dividir mais como células naturais. Antes disso, o JCVI-syn3.0 estava crescendo e se dividindo em formas estranhas, um fenômeno que Glass e sua equipe estão investigando para ver se suas células mínimas se dividem da mesma forma que as células primordiais.

Os pesquisadores descobriram que a maioria das mutações benéficas favorecidas pela seleção natural em seus experimentos estavam em genes essenciais. Mas uma mutação crítica ocorreu em um gene não essencial chamado ftsZ, que codifica uma proteína que regula a divisão celular. Quando ele sofreu uma mutação M. micoides, a bactéria cresceu 80% maior. Curiosamente, a mesma mutação na célula mínima não aumentou seu tamanho. Isso mostra como as mutações podem ter diferentes funções dependendo do contexto celular, disse Lennon.

Em um artigo do estudo complementar, que foi aceito por iCiência mas ainda não publicado, um grupo liderado por Bernhard Palsson na Universidade da Califórnia, San Diego relataram resultados semelhantes de experimentos em uma variante da mesma célula mínima. Eles não encontraram um ftsZ mutação em suas células mínimas evoluídas, mas eles encontraram mutações semelhantes em outros genes que governam a divisão celular, enfatizando o ponto de que existem várias maneiras de alcançar um resultado biológico, disse Palsson.

Eles não observaram o tamanho da célula, mas verificaram quais genes foram expressos antes, durante e depois do episódio de evolução. Eles observaram uma “compensação medo-ganância”, uma tendência também observada em bactérias naturais de desenvolver mutações em genes que as ajudarão a crescer, em vez de mutações que produziriam mais proteínas de reparo de DNA para corrigir os erros.

Aqui você pode ver que “as mutações tendem a refletir os processos celulares necessários para melhorar uma função”, disse Palsson.

Demonstrar que a célula mínima pode evoluir como células com um genoma mais natural foi importante porque validou “o quão bem ela representa a vida em geral”, disse Zia. Para muitos pesquisadores, o objetivo de uma célula mínima é servir como um guia extremamente útil para a compreensão de células naturais mais complexas e as regras que elas seguem.

Outros estudos também estão começando a investigar como células mínimas respondem a pressões naturais. Um grupo relatou em iCiência em 2021 que as células mínimas podem desenvolver rapidamente resistência a diferentes antibióticos, assim como as bactérias.

Saber quais genes são mais propensos a sofrer mutações e levar a adaptações úteis pode um dia ajudar os pesquisadores a projetar drogas que melhorem o que fazem no corpo ao longo do tempo. Para construir formas de vida sintéticas robustas com habilidades muito diferentes, biólogos evolutivos e biólogos sintéticos devem trabalhar juntos, “porque não importa o quanto você crie, ainda é biologia, e a biologia evolui”, disse Adamala.