AGENTEX testa novos códigos genéticos sem reescrever uma célula

O AGENTEX — sigla em inglês para Automated Genetic tRNA Expansion, ou Expansão Genética Automatizada de tRNAs — muda a ordem tradicional da engenharia do código genético. Em vez de primeiro reescrever o genoma de um organismo e só depois descobrir se o sistema de tradução funciona, os pesquisadores podem montar candidatos em laboratório, testá-los com robôs e levar os projetos mais promissores para etapas posteriores de engenharia celular. 6

O trabalho relatado apoia sistemas redesenhados capazes de usar até 34 blocos de construção de aminoácidos, em vez dos 20 empregados pelo código biológico padrão. 7 O ponto central não é aumentar o número de códons para além dos 64 possíveis, mas tornar mais desses códons utilizáveis em novas atribuições.

O problema que o AGENTEX contorna

O código genético padrão relaciona 64 códons — sequências de três bases — a aminoácidos e aos sinais de início ou parada da tradução. Como vários códons podem indicar o mesmo aminoácido, existe uma redundância que abre espaço para reassinaturas.

Em uma célula viva, porém, mudar o significado de um códon é arriscado. O mesmo sinal pode aparecer em inúmeros genes essenciais. Se ele passar a indicar outro aminoácido, proteínas importantes podem ser produzidas com erros em larga escala. Por isso, uma estratégia celular pode exigir a substituição ou remoção de todas as ocorrências genômicas daquele códon, além do controle da maquinaria natural de tradução para evitar competição com o sistema projetado.

O AGENTEX leva o primeiro experimento para fora da célula. Os pesquisadores fornecem uma coleção personalizada de componentes de tradução e verificam se determinada relação entre códons e aminoácidos produz a proteína ou o peptídeo esperado antes de investir em uma modificação genômica ampla. 615

Como funcionam os códigos redesenhados

Um códon é interpretado pela interação entre o RNA mensageiro, um RNA transportador — o tRNA — e a maquinaria de tradução. O AGENTEX se concentra em alterar essas relações moleculares, em vez de tratar o código natural como algo imutável.

O trabalho investigou ribossomos, tRNAs e aminoacil-tRNA sintetases — enzimas que carregam aminoácidos nos tRNAs — projetados para reconhecer seus parceiros corretos e permanecer separados do sistema de tradução padrão. A equipe também usou métodos automatizados para examinar bibliotecas de tRNAs sintéticos e medir quais eram carregados com aminoácidos. 6

Assim, determinados códons podem ser associados a outros aminoácidos, inclusive aminoácidos não padronizados, em uma reação livre de células deliberadamente reconstruída. Sistemas reconstituídos com tRNAs transcritos in vitro já haviam mostrado que a tradução podia funcionar com códigos simplificados ou reorganizados; o AGENTEX amplia esse princípio para um fluxo automatizado e multiplexado de prototipagem. 5

O material fornecido descreve dois códigos redesenhados avaliados ao lado do código padrão, com a reassinatura de até três códons e a incorporação de aminoácidos não padronizados. 8 Como cada sistema alternativo é montado com um conjunto compatível de componentes de tradução, diferentes projetos podem ser comparados dentro da mesma estrutura experimental sem impor uma nova interpretação ao genoma de um organismo vivo.

Por que a automação faz diferença

Um código genético não é apenas uma tabela. Para que uma reassinatura funcione, os tRNAs precisam reconhecer os códons corretos, as sintetases precisam carregá-los com os aminoácidos pretendidos e o ribossomo deve aceitar esses complexos com precisão e eficiência suficientes. Plataformas de tradução livres de células permitem adicionar, retirar ou trocar esses componentes individualmente. 1516

O AGENTEX usa esse controle para sustentar um ciclo de design, construção e teste:

1. Projetar uma tabela de códons e os componentes necessários para implementá-la.
2. Montar combinações de tRNAs, sintetases e ribossomos em uma reação livre de células.
3. Testar o carregamento dos tRNAs, a tradução e a incorporação dos aminoácidos escolhidos.
4. Comparar rendimento, fidelidade e ortogonalidade — isto é, a capacidade de operar sem interferir em outro sistema — entre vários candidatos.
5. Avançar apenas com os projetos mais promissores para experimentos biológicos mais exigentes.

O ganho prático é de velocidade e escala. Um projeto que falha pode ser descartado como uma reação malsucedida, sem se transformar em um longo projeto de engenharia de um organismo. Já um sistema que funciona pode ser refinado antes das etapas de edição genômica, construção de linhagens e validação em células. 6

O que a plataforma ainda não resolveu

O AGENTEX demonstra uma plataforma de tradução in vitro. Por si só, ele não cria um organismo viável capaz de manter, replicar e regular um código genético substancialmente redesenhado.

A transferência de um código para células ainda exigiria várias soluções difíceis:

• Compatibilidade com o genoma inteiro: códons reassinados talvez precisem ser removidos ou substituídos em todo o genoma para evitar erros nas proteínas naturais.
• Controle dos componentes: tRNAs, sintetases e possivelmente ribossomos projetados teriam de funcionar de maneira confiável ao lado — ou no lugar — da maquinaria celular nativa.
• Disponibilidade dos aminoácidos: a célula precisaria obter ou sintetizar cada aminoácido não padronizado e direcioná-lo à via correta de tradução.
• Carregamento seletivo: as sintetases teriam de colocar o aminoácido certo no tRNA certo, evitando reações cruzadas indesejadas. 5
• Desempenho biológico: o sistema teria de manter rendimento proteico, precisão, crescimento e herança adequados ao longo do tempo.

Estudos celulares anteriores mostram a dimensão do desafio. Um sistema recente em células de mamíferos relatou a incorporação de até cinco aminoácidos sintéticos diferentes em uma única proteína ao reaproveitar códons raros. 4 É um resultado celular importante, mas diferente de demonstrar um organismo estável e autorreplicante usando o projeto de 34 aminoácidos associado ao AGENTEX. O material fornecido não comprova que tal organismo tenha sido criado.

O que o AGENTEX pode viabilizar

Alfabetos químicos maiores para proteínas

As proteínas naturais são formadas a partir de um conjunto relativamente pequeno de aminoácidos. Códigos mais flexíveis poderiam permitir a exploração de proteínas e biopolímeros peptídicos com grupos químicos, cadeias laterais ou estruturas de esqueleto que não estão disponíveis na tradução convencional. O relatório do AGENTEX relaciona a plataforma à síntese de biopolímeros e à prototipagem de códigos genéticos sob demanda. 6

Novos candidatos para medicamentos

Aminoácidos não padronizados podem oferecer propriedades úteis na descoberta de fármacos, como mudanças na reatividade, na estabilidade ou na possibilidade de conjugação controlada. O AGENTEX pode facilitar a triagem de muitos projetos moleculares em uma fase inicial. Isso representa uma vantagem de descoberta e engenharia — não a evidência de que um produto baseado no AGENTEX já seja um medicamento. Qualquer aplicação terapêutica ainda precisaria passar por validações convencionais de atividade, segurança, distribuição e fabricação.

Materiais programáveis

A síntese ribossomal oferece controle sobre a sequência. Combinar essa precisão com um conjunto maior de blocos químicos poderia ajudar a explorar biomateriais com novas propriedades de ligação, catalíticas, ópticas, mecânicas ou de auto-organização. Sistemas livres de células já foram usados para produzir proteínas ativas com códigos redesenhados, criando uma base para esse tipo de experimento. 5

Um possível caminho para o isolamento genético

Um código genético suficientemente diferente poderia, no futuro, dificultar a troca de informações genéticas funcionais entre organismos projetados e naturais, além de reduzir a capacidade de parasitas biológicos comuns de explorá-los. O AGENTEX não demonstra esse resultado. Sua contribuição mais imediata é permitir a comparação de códigos ortogonais candidatos antes da tentativa — muito mais complexa — de instalá-los em um sistema vivo e reprodutivo.

Como a abordagem se compara às anteriores

A expansão tradicional do código genético costuma começar pela atribuição de um aminoácido não padronizado a um códon de parada ou pela liberação de um pequeno número de códons por meio de extensas edições genômicas. Outros trabalhos demonstraram projetos mais amplos, incluindo um sistema de 68 códons capaz de incorporar quatro aminoácidos não canônicos diferentes em uma mesma proteína. Pesquisas livres de células também produziram códigos trocados ou simplificados usando tRNAs projetados ou transcritos in vitro. 35

A contribuição distintiva do AGENTEX está, portanto, tanto no fluxo de trabalho quanto na quantidade de aminoácidos: trata-se de uma prototipagem automatizada e multiplexada de sistemas de tradução antes da recodificação celular. A plataforma cria uma camada de triagem entre um projeto teórico de código genético e um organismo vivo. Essa etapa pode reduzir esforços desperdiçados, revelar incompatibilidades mais cedo e ampliar o número de arquiteturas que os pesquisadores conseguem testar.

A ressalva central continua sendo essencial: o AGENTEX torna códigos genéticos alternativos mais fáceis de prototipar, mas não elimina os problemas biológicos e de engenharia envolvidos em fazê-los funcionar dentro de células.