por Constanze Kindel
Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna deram o que é provavelmente o passo mais importante na pesquisa genética nos últimos anos. Eles desvendaram um mecanismo com o qual o genoma pode ser alterado de forma mais específica do que nunca e desenvolveram uma tesoura genética altamente eficaz a partir dele. Para isso, os dois pesquisadores já receberam o Prêmio Nobel de Química. Como funciona o Crispr / Cas9? E quais opções o processo oferece?
Descoberta, isso parece muito aleatório. Tão fatal, tão não intencional. Não o que uma pesquisa como a sua realmente é: experimente, trabalhe - uma caça difícil e metódica com um resultado incerto, no rastro de uma suspeita. Uma abordagem que amplia os limites do conhecimento passo a passo. Portanto, descoberta: Emmanuelle Charpentier acredita que o termo realmente não se encaixa. "Você não procura algo e de repente o encontra", ela explica, "você decifra um mecanismo ao longo de meses e anos."
A microbióloga francesa falou muito sobre o mecanismo que decifrou nos últimos meses em conferências em Chicago, Roma e Heidelberg. Ela chama o resultado de sua pesquisa de "divisor de águas".
Game Changer: o ponto de viragem no jogo, o grande lance que muda tudo. Um avanço que Emmanuelle Charpentier tem certeza trará o Prêmio Nobel mais cedo ou mais tarde.
GEOkompakt No. 54
Nossa herança, nossos genes
01/10/2020
GEOkompakt sobre nossos genes e a questão de por que somos do jeito que somos
É graças a suas pesquisas que cientistas de todo o mundo são capazes de intervir especificamente no projeto da vida como nunca antes, para manipular o material genético, para reescrevê-lo - com um processo que é comparativamente barato e geralmente surpreendente funciona rapidamente.
A francesa de 49 anos, diretora do Instituto Max Planck de Biologia de Infecções em Berlim desde 2015, tornou-se uma estrela mundial da ciência em menos de cinco anos.
Em agosto de 2012, quando ela ainda estava fazendo pesquisas na universidade em Umeå, Suécia, ela publicou um artigo em um jornal especializado, com apenas um pouco mais de cinco páginas: “A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity” . Junto com a pesquisadora americana Jennifer Doudna e outros colegas, ela descreve como a bactéria Streptococcus pyogenes se protege dos vírus. Este patógeno pode causar escarlatina ou amigdalite purulenta. Mas o próprio Streptococcus pyogenes também é vulnerável: por vírus.
O sistema com o qual a bactéria evita essas infecções consiste, por assim dizer, em duas áreas: arquivo e ferramenta de corte. Em seu próprio genoma, o organismo unicelular armazena amostras de quase todos os vírus com os quais ele - e seus ancestrais - já entraram em contato, como um auxiliar de memória. No caso de uma nova infecção, o sistema de defesa do micróbio é ativado: ele verifica o vírus com base nas amostras arquivadas.
O trabalho com Streptococcus pyogenes é o prelúdio para uma revolução
Se detectar o intruso, a ferramenta de corte entra em ação: uma determinada enzima, uma espécie de ferramenta molecular, corta o DNA viral. O sistema de defesa (que os dois pesquisadores chamam de CRISPR-Cas9, de acordo com as sequências de DNA arquivadas, CRISPR, e a tesoura de DNA, Cas9) tornam o patógeno inofensivo.
Em seu ensaio, no entanto, os cientistas não apenas explicam como o mecanismo funciona: eles também mostram como o escudo de defesa pode ser convertido em uma arma para todos os fins. Porque eles descobriram que o CRISPR-Cas9 (hoje mais conhecido como CRISPR) pode ser uma espécie de ferramenta universal para reescrever material genético. Ainda mais - uma tecnologia com a qual os genes podem ser alterados de forma direcionada em bactérias, plantas, animais, pessoas.
Resumindo: o trabalho com o Streptococcus pyogenes é o prelúdio de uma revolução.
Há pouco mais de dez anos, ninguém na ciência sabia nada sobre o papel desse sistema nas bactérias. Hoje surgem novos estudos quase que diariamente em que pesquisadores apresentam os resultados de seus experimentos com o CRISPR. Em que relatam tentativas de produzir amendoim sem alérgenos - ou mosquitos que não podem transmitir a malária. O trabalho já está em andamento para trazer animais extintos de volta à vida. Ou para curar doenças para as quais antes havia pouca esperança.
“Você começa com uma ideia e pensa que levará 30 anos antes que algo útil surja dela”, diz Charpentier. E então, de repente, tudo passa rápido.
Os pesquisadores já estão usando o CRISPR para modificar o genoma humano
Provavelmente não há outro desenvolvimento que tenha avançado a engenharia genética até agora em tão pouco tempo. Em termos simplificados, pode-se imaginar a alteração direcionada de sequências de material genético com CRISPR como editar um arquivo de texto no computador: o software encontra qualquer combinação de letras no documento, em uma página, em uma linha. Uma vez encontrada a posição relevante, os erros de digitação podem ser corrigidos, letras ou palavras inteiras podem ser excluídas, trocadas ou inseridas.
No procedimento CRISPR, a combinação de letras que você está procurando é composta pelas moléculas de DNA adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T) - e de tal forma que sua sequência corresponda ao seção na sequência de DNA que deve ser alterada.
A enzima, a verdadeira tesoura do gene no sistema CRISPR, é preparada com a combinação apropriada de letras - de certa forma, ela se parece com a máscara de pesquisa do programa de processamento de texto. Como regra, agora ele se dirige exatamente para aquela parte do genoma que deveria encontrar. Em seguida, ele se liga à seção selecionada, causando uma quebra nas duas fitas da dupla hélice do DNA.
Agora - como em um programa de processamento de texto - uma passagem pode ser excluída ou uma nova palavra (um gene estrangeiro) pode ser inserida.
Por mais de 20 anos, os biólogos moleculares foram, em princípio, capazes de usar enzimas para eliminar ou substituir certos genes. Mas os procedimentos eram caros e demorados. Como o CRISPR, essas tesouras de genes primitivos trabalham com proteínas de corte especiais que se ligam a um ponto selecionado na sequência de DNA e cortam a fita dupla de DNA ali.
Mas essas proteínas tiveram que ser alteradas laboriosamente para cada uso. Demorou uma longa série de tentativas e erros antes que a proteína realmente encontrasse o local desejado. Cada sucesso costuma custar centenas de tentativas fracassadas. Às vezes, a ferramenta de corte dava certo e as seções de DNA eram frequentemente eliminadas no lugar errado. Foi apenas com o CRISPR que o processador de texto - para ficar na imagem - recebeu uma máscara de busca de trabalho mais precisa: geralmente pode ir ao ponto desejado no livro com grande precisão.
Com o CRISPR, a tecnologia não é mais um aplicativo altamente especializado, mas basicamente um processo padrão. O que costumava levar meses ou mesmo anos para funcionar agora geralmente leva apenas alguns dias. Quase todo pequeno laboratório pode usar o método.
O CRISPR tornou a engenharia genética, a cirurgia genética, mais rápida, barata e eficiente do que nunca. Um estudante de biologia com equipamento de laboratório padrão seria capaz de usar este sistema para desligar um gene, diz Charpentier. Poucos dias de trabalho, o material custa apenas algumas centenas de euros.
Com a tecnologia CRISPR, genes estranhos podem ser canalizados precisamente para o genoma.
© Soleil Nordic / shutterstock
Descrição da imagem: Para trocar genes defeituosos ou criar organismos com novas propriedades, os pesquisadores usam a técnica CRISPR para inserir material genético estranho (verde) em uma seção do DNA (azul). Para que o gene estranho chegue à posição correta na fita de DNA, ele é marcado com uma molécula de reconhecimento. Consiste na sequência de letras genéticas precisas do local pesquisado e se anexa de acordo. Na próxima etapa, uma enzima, uma espécie de ferramenta molecular (estrutura oval), corta a fita de DNA no ponto exato em que a molécula de reconhecimento está ligada. Isso cria uma lacuna no DNA. Os próprios mecanismos de reparo do corpo garantem que a quebra do fio feche novamente. O gene estranho é preparado de tal forma que é inserido automaticamente na lacuna. O gene estranho está, em última análise, no DNA original e pode assumir sua função lá.
As empresas americanas já estão vendendo kits de construção CRISPR que até leigos podem usar para experimentar a tecnologia. A empresa californiana "The Odin", por exemplo, oferece conjuntos que podem ser usados para trocar um gene em certas bactérias para que possam crescer em meio nutriente especial.
A start-up quer até permitir que as pessoas intervenham em seu próprio material genético. Em uma conferência de biotecnologia em San Francisco em outubro de 2017, o fundador da Odin, Josiah Zayner, que possui um PhD em biofísica, colocou uma seringa em seu antebraço. O conteúdo, anunciou Zayner, tem como alvo o gene da miostatina, que inibe o crescimento muscular do corpo. Ele será a primeira pessoa a tentar mudar seu próprio genoma dessa forma. CRISPR em autoexperimento: músculos maiores com cirurgia gênica.
A Food and Drug Administration (FDA) dos EUA já está alertando que a venda de produtos de terapia genética é contra a lei e que há preocupações sobre os riscos de segurança associados.
Muitos dos principais problemas médicos parecem ser solucionáveis com CRISPR
Mas o CRISPR também eletrizou a ciência estabelecida. Instituições de pesquisa, universidades e empresas estão promovendo o uso do método. O CRISPR já é muito eficaz na adaptação de animais de fazenda e culturas às condições e necessidades, porcos reprodutores com menor percentual de gordura corporal, ou mandioca e trigo imunes a vírus e fungos comuns.
Entre outras coisas, os profissionais médicos desejam usar o CRISPR para criar melhores modelos animais do sofrimento humano. Até mesmo transtornos mentais complicados, como autismo e esquizofrenia, nos quais um grande número de mutações genéticas estão envolvidas em diferentes combinações, poderiam se tornar mais compreensíveis e os efeitos do tratamento poderiam ser simulados com mais facilidade.
Muitos problemas importantes na medicina de repente parecem solucionáveis com CRISPR. Por exemplo, a resistência aos antibióticos pode ser eliminada modificando os vírus de forma que eles matem as bactérias: o sistema imunológico unicelular se volta contra si mesmo.
Ou a falta de órgãos doadores para transplantes: talvez corações, pulmões e rins possam em breve ser criados em porcos graças à tesoura genética. Até agora, muitos patógenos foram encontrados em seu material genético, que são transmitidos dos pais aos seus descendentes. Com a nova tecnologia, os pesquisadores dos EUA conseguiram pela primeira vez tornar esses vírus inofensivos.
Os primeiros estudos CRISPR sobre terapia de câncer já estão em andamento na China. No final de 2016, pesquisadores da Universidade de Sichuan em Chengdu injetaram células imunológicas geneticamente modificadas em um paciente que sofria de câncer de pulmão agressivo pela primeira vez.
Outra equipe chinesa foi capaz de usar essa técnica para remover um cromossomo completo pela primeira vez: a terceira cópia excedente do cromossomo 21 a partir de células cultivadas no laboratório de uma pessoa com trissomia do cromossomo 21, ou seja, síndrome de Down. Seria possível, no futuro, curar embriões em que esse defeito fosse descoberto no útero usando uma tesoura genética? Muito parece possível.
A Organização Mundial da Saúde estima o número de doenças hereditárias causadas por um único gene defeituoso em mais de 10.000. Condições como a doença de Huntington, uma doença nervosa em que o cérebro fica progressivamente doente e causa distúrbios de movimento, por exemplo. Ou distrofia muscular de Duchenne, que paralisa o corpo. Ou a anemia falciforme, que prejudica coração, olhos e rins, por exemplo. Essas doenças hereditárias monogênicas são o alvo óbvio para o uso de CRISPR em um futuro próximo.
Engenharia genética
Como os pesquisadores genéticos estão desenvolvendo os medicamentos do futuro
Cientistas estão pesquisando DNA para desenvolver medicamentos feitos sob medida
Mas alguns pesquisadores querem mais do que parar essas doenças: eles querem desligá-las muito antes que possam se manifestar - já na linha germinativa, ou seja, no caminho do óvulo fertilizado para as células germinativas do novo organismo.
A manipulação cirúrgica genética de óvulos e espermatozóides deve libertar embriões de doenças hereditárias. Essas intervenções também teriam um efeito na composição genética das gerações futuras: se os genes são manipulados neste estágio inicial do desenvolvimento humano, essas mudanças são posteriormente repassadas - uma intervenção na evolução humana.
Eticamente, essas intervenções são altamente controversas. Mas eles dificilmente podem ser evitados a longo prazo - especialmente porque não há um consenso global sobre o uso da engenharia genética e seus limites.
Por exemplo, um grupo de pesquisa dos EUA já experimentou o uso da tecnologia em embriões humanos em um estágio inicial de desenvolvimento. Usando a tesoura do gene, a equipe corrigiu uma mutação no gene MYBPC3 que causa o engrossamento do músculo cardíaco - a cardiomiopatia hipertrófica, uma das principais causas de morte súbita em jovens atletas.
Emmanuelle Charpentier diz que é estritamente contra essas intervenções: Ninguém deve tocar na linhagem germinativa.
Jennifer Doudna, sua colega na descriptografia CRISPR, não tem tanta certeza sobre essa questão. Se houvesse uma maneira de ajudar as pessoas com doenças hereditárias, seria permitido não fazê-lo? Mesmo que não se possa descartar que a tecnologia e os desejos irão, em algum momento, ir muito além das necessidades médicas? Que os pais comecem a moldar seus filhos não nascidos de acordo com suas idéias em termos de tamanho, cor dos olhos e inteligência?
Essa ainda é uma possibilidade distante. Além das considerações éticas, ainda existem vários riscos possíveis no modo de usar tesouras de genes em humanos. Há dúvidas quanto à segurança da técnica. E preocupações com as consequências de seu uso.
A rota de transporte é atualmente uma das dificuldades técnicas: para levar a enzima de corte ao seu local de uso, os biólogos precisam dos chamados balsas de genes - vírus inofensivos ou inativados artificialmente que transportam moléculas CRISPR pela corrente sanguínea para o interior das células. Mas essas balsas de genes virais estão atingindo rapidamente seus limites de lastro. Uma alternativa pode ser os lipossomas: minúsculas partículas de gordura que se ligam às células e liberam sua carga dentro dela.
O problema de possíveis danos colaterais do método CRISPR também é sério - por exemplo, se a tesoura de genes errar seu alvo e cortar o DNA em outra seção. As consequências dessas quebras não planejadas de DNA não podem ser previstas. Na pior das hipóteses, as mudanças podem desencadear o câncer.
Num relance
As bactérias molde usam o mecanismo CRISPR como uma defesa para cortar o material genético dos vírus.
A tecnologia Os pesquisadores Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna a usaram para desenvolver tesouras de genes para a ciência.
Graças à sua invenção, agora é mais fácil do que nunca criar organismos geneticamente modificados ou tratar doenças hereditárias.
Médicos norte-americanos que corrigiram o defeito genético em camundongos com cegueira congênita com a ajuda do CRISPR encontraram 100 mudanças importantes e mais de 1000 mutações pontuais na composição genética dos camundongos agora avistados, nos quais apenas um único par de bases de DNA foi alterado.
Se as mutações foram resultado do tratamento com CRISPR, como os cientistas temiam, ou poderiam ter sido encontradas no genoma dos camundongos antes do experimento, porém, é polêmico: o estudo não fez uma comparação com camundongos de controle.
No entanto, um grupo de cientistas alertou em um estudo logo depois que as ferramentas CRISPR tinham que ser cuidadosamente adaptadas ao genoma do respectivo paciente, a fim de garantir que a tecnologia não fosse mal direcionada por variações no genoma do paciente.
Os pesquisadores há muito procuram maneiras de evitar esses riscos. Uma equipe do Salk Institute de San Diego, por exemplo, criou uma nova variante da tecnologia CRISPR que evita quebras no DNA. Um novo processo mais controlável também foi desenvolvido na Universidade de Harvard. Os primeiros estudos clínicos sobre terapia gênica com CRISPR já foram iniciados.
A empresa "CRISPR Therapeutics", na qual Emmanuelle Charpentier tem uma participação, quer tentar curar as doenças hereditárias talassemia beta e anemia falciforme.
Ambas as condições são causadas principalmente por mutações em um gene que está envolvido na produção de hemoglobina: um complexo de proteínas que transporta oxigênio no sangue. O tratamento é projetado para reativar uma forma de hemoglobina encontrada em bebês. A aprovação foi solicitada.
O fato de os primeiros estudos clínicos já terem começado é um recorde rápido para os padrões da pesquisa médica - nem mesmo seis anos após a primeira conversa sobre um método de tesoura genética novo, simples e barato.
A revolução da terapia genética apenas começou.
Este artigo apareceu pela primeira vez em março de 2018 em "GEO compact No. 54 - Nossa herança, nossos genes".
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