A evolução guiada pela luz cria proteínas que podem mudar, detectar e calcular

Hoje, os cientistas aplicam princípios semelhantes em laboratório através de uma técnica conhecida como evolução dirigida. Os pesquisadores o utilizam para melhorar proteínas como enzimas e anticorpos que desempenham papéis importantes na medicina, na fabricação industrial e até mesmo em produtos de uso diário, como detergentes para a roupa.

Limites da evolução dirigida tradicional

Apesar do seu sucesso, os métodos padrão de evolução dirigida têm uma limitação importante. Geralmente impõem uma pressão de seleção constante que favorece proteínas que permanecem altamente ativas o tempo todo. No entanto, os sistemas biológicos reais raramente funcionam desta forma. Muitas proteínas servem como sinais, interruptores moleculares ou “portas lógicas” (proteínas que combinam múltiplas entradas para tomar uma decisão sim ou não), o que significa que devem mudar de estado à medida que as condições mudam.

Por exemplo, uma proteína pode ser ativada brevemente, depois desligada e depois ligada novamente. Quando os experimentos de evolução recompensam apenas um único estado, outros estados necessários podem degradar-se. Como resultado, as proteínas podem perder a capacidade de mudar adequadamente, o que pode ser prejudicial para as células (por exemplo, matar uma célula). Devido a este desafio, a criação de proteínas com comportamento complexo de vários estados tem se mostrado difícil com as abordagens de evolução dirigida existentes.

Uma estratégia baseada na luz para a evolução das proteínas

Pesquisadores liderados por Sahand Jamal Rahi, do Laboratório de Física de Sistemas Biológicos da EPFL, introduziram uma nova abordagem chamada “optovolução”. Este método utiliza luz para orientar a evolução de proteínas que podem realizar funções dinâmicas e até mesmo realizar tarefas computacionais simples que seguem regras de sim ou não.

O estudo, publicado em Célulaajuda a aproximar a evolução dirigida de como as células operam naturalmente. Nos sistemas vivos, o tempo e a alternância entre estados são tão importantes quanto a força de um sinal.

Engenharia de células de levedura para selecionar as melhores proteínas

Para construir seu sistema, os pesquisadores usaram a levedura Saccharomyces cerevisiae, um organismo amplamente utilizado tanto na fabricação de cerveja quanto na pesquisa científica. Eles redesenharam o ciclo celular da levedura de modo que a divisão celular dependesse do comportamento da proteína em evolução. A proteína precisava alternar de forma limpa entre os estados ativo e inativo para que a célula sobrevivesse.

Os cientistas conectaram o sinal de saída da proteína a um regulador que controla o ciclo celular. Este regulador é essencial durante uma fase, mas torna-se tóxico durante outra. Se a proteína permanecesse ligada ou desligada por muito tempo, a célula da levedura pararia ou morreria. Apenas as células contendo proteínas que mudaram no momento correto continuaram a se dividir.

Usando a luz para controlar a evolução em tempo real

A luz forneceu uma maneira de controlar esse processo com precisão. Os pesquisadores usaram a optogenética, técnica que ativa ou desativa genes por meio da luz. Ao fornecer pulsos de luz cronometrados, eles forçaram a proteína a alternar entre estados.

Cada ciclo celular de levedura dura cerca de 90 minutos, criando um teste rápido de aprovação ou reprovação para verificar se a proteína mudou no momento correto. As proteínas com melhor desempenho permitiram que a célula sobrevivesse e se reproduzisse, enquanto as variantes com pouca troca foram eliminadas. Isso permitiu que a optovolução selecionasse automaticamente proteínas com melhor comportamento dinâmico, sem triagem manual ou ajustes repetidos.

Novas variantes de proteínas e sensibilidade de cor expandida

Usando a optovolução, a equipe desenvolveu vários tipos diferentes de proteínas. Eles primeiro melhoraram um fator de transcrição controlado por luz comumente usado. Os pesquisadores geraram 19 novas variantes que mostraram maior sensibilidade à luz, atividade reduzida no escuro ou capacidade de responder à luz verde em vez de apenas à luz azul. A engenharia de proteínas que respondem a cores mais quentes do que o azul tem sido considerada extremamente difícil devido à forma como essas proteínas absorvem a luz.

Os cientistas também desenvolveram um sistema optogenético de luz vermelha para que as células de levedura não precisassem mais de um cofator químico adicionado. A evolução produziu uma mutação que desativou uma proteína normal de transporte de levedura. Essa mudança inesperada permitiu que o sistema utilizasse moléculas sensíveis à luz já presentes no interior da célula, tornando o sistema mais fácil de usar em experimentos.

Proteínas que agem como pequenos computadores

O estudo também demonstrou que a optovolução pode ir além das proteínas sensíveis à luz. Os pesquisadores desenvolveram um fator de transcrição que funciona como um computador de proteína única. Ele ativou genes apenas quando duas entradas diferentes apareceram ao mesmo tempo – um sinal luminoso e um sinal químico.

O comportamento dinâmico das proteínas é essencial para muitos processos biológicos, incluindo a detecção de mudanças ambientais, a tomada de decisões dentro das células e o controle da divisão celular. Ao permitir que estes comportamentos evoluam continuamente dentro das células vivas, a optovolução oferece novas possibilidades para a biologia sintética, a biotecnologia e a investigação fundamental.

A técnica pode ajudar os cientistas a projetar circuitos celulares mais inteligentes, criar ferramentas optogenéticas que respondam de forma independente a diferentes cores de luz e compreender melhor como os comportamentos complexos das proteínas surgem ao longo da evolução.

Outros contribuidores

• Laboratório EPFL de Engenharia de Proteínas e Células
• Universidade de Bayreuth
• Hospital Universitário de Lausanne (CHUV)