As condições que podem ter desencadeado a vida na Terra
2 de outubro de 2024
Os cientistas acreditam que estão a começar a compreender as condições que originaram a vida na Terra , demonstrando em laboratório uma multiplicação massiva de ADN em poucos minutos.
Há mais de 4 mil milhões de anos, os compostos químicos juntaram-se para formar a vida .
Este evento ocorreu quando a Terra era muito jovem – apenas algumas
centenas de milhões de anos. Na época, a Terra estava sendo bombardeada
por asteroides. Grande parte da superfície estava derretida. Esta
primeira parte da história do nosso planeta é apropriadamente chamada de
Hadean, em homenagem ao antigo deus grego dos mortos e rei do submundo.
Conceito
artístico mostrando como a superfície da Terra apareceu durante o éon
Hadeano. Crédito: Stocktrek Images / Stocktrek Images / Getty Images
Plus.
Mas o Hadeano também viu o desenvolvimento – depois que a Terra
esfriou – da nossa atmosfera e dos oceanos. Foi nestes primeiros oceanos
que os cientistas teorizam que a “sopa primordial” de compostos
químicos à base de carbono se reuniu pela primeira vez para formar os
blocos de construção da vida.
Quais condições permitiram que esse processo ocorresse permaneceram um mistério.
Uma nova pesquisa publicada na revista eLife descreve evidências que sugerem que um simples cenário geofísico poderia ter levado aos blocos de construção da vida.
Um fluxo de gás através de um canal estreito de água pode criar um
ambiente físico, dizem os investigadores, que leva à replicação de
ácidos nucleicos – as biomoléculas de armazenamento de informação que
constituem o ADN e o ARN.
A vida não precisa apenas da replicação do ácido nucléico. Também
exige que as cadeias de ARN se separem novamente após o processo de
replicação – algo que é difícil dadas as condições necessárias para a
replicação em primeiro lugar.
“Vários mecanismos foram estudados quanto ao seu potencial para
separar cadeias de DNA na origem da vida, mas todos eles exigem mudanças
de temperatura que levariam à degradação dos ácidos nucléicos”, diz o
autor principal Philipp Schwintek, Ph.D. estudante da
Ludwig-Maximilians-Universität München, Alemanha.
“Investigamos um cenário geológico simples e onipresente, onde o
movimento da água através de um poro da rocha era seco por um gás que
percolava através da rocha para chegar à superfície”, explica Schwintek.
“Tal cenário seria muito comum em ilhas vulcânicas da Terra primitiva,
que ofereciam as condições secas necessárias para a síntese de RNA.”
Replicação
na interface gás-água. Consideramos um cenário geológico em que a água,
contendo biomoléculas, é evaporada por um fluxo de gás na escala de
milímetros. Nas rochas vulcânicas porosas, muitas dessas configurações
podem ser imaginadas. O fluxo de gás induz correntes convectivas de água
e faz com que ela evapore. Os ácidos nucleicos e sais dissolvidos
acumulam-se na interface gás-água devido às correntes interfaciais,
mesmo que o influxo vindo de baixo seja água pura. Através do vórtice
induzido, os ácidos nucleicos passam por diferentes concentrações de
sal, promovendo a separação das cadeias e permitindo-lhes replicar-se
exponencialmente. Nossos experimentos replicam esse ambiente em
microescala, submetendo um volume de amostra definido a um influxo
contínuo de água pura com um fluxo de ar passando. Crédito: eLife
(2024). DOI: 10.7554/eLife.100152.1
A equipe descobriu o processo construindo um modelo de laboratório de
um cenário antigo na Terra com poros rochosos, fluxo de água e fluxo de
gás.
Eles encontraram um acúmulo de fitas de DNA na interface entre a água e o gás.
Em 5 minutos, havia 3 vezes mais DNA do que no início do experimento.
Depois de uma hora, a quantidade de DNA se multiplicou por 30.
CRISPR é uma ferramenta versátil para edição de
genomas e foi recentemente aprovada como tratamento de terapia genética
para certas doenças do sangue.
Você provavelmente já ouviu falar do CRISPR,
uma ferramenta relativamente nova para edição de genes. Mas como
funciona a tecnologia? (Crédito da imagem: Love Employee via Getty Images)
CRISPR, abreviação de CRISPR-Cas9, é uma ferramenta de edição de
genoma que permite aos cientistas cortar e modificar com precisão
sequências de DNA. Revolucionou o estudo dos genes, ajudou a melhorar as
colheitas e melhorou os cuidados de saúde.
O sistema de edição de genes foi originalmente descoberto em bactérias , onde limita as infecções cortando o DNA viral. Depois, num trabalho vencedor do prémio Nobel , este aparelho de defesa bacteriana foi cooptado pelos cientistas para conceber uma nova abordagem à edição do genoma.
“É realmente a simplicidade, o custo e a facilidade de uso” que democratizaram esta ferramenta de edição, disse Alison Van Eenennaam
, geneticista pecuária da Universidade da Califórnia, Davis, que usa
CRISPR para alterar a genética dos animais de fazenda, ao
WordsSideKick.com.
Recentemente, o CRISPR foi aprovado para
tratar duas doenças sanguíneas, e ensaios em fase inicial revelam o seu
potencial para tratar a cegueira hereditária. Aqui está tudo o que você
precisa saber sobre a tecnologia inovadora.
O que é CRISPR?
O sistema CRISPR inclui os seguintes componentes principais:
CRISPR:
"CRISPR" significa "aglomerados de repetições palindrômicas curtas
regularmente interespaçadas". Este nome complicado descreve um padrão de
sequências de DNA encontrado nos genomas bacterianos que ajuda as
bactérias a se defenderem dos vírus .
"Repetições palindrômicas curtas" referem-se a sequências que são
lidas da mesma forma para frente e para trás, como as palavras "caiaque"
e "carro de corrida".
O DNA
consiste em duas fitas pares torcidas uma em torno da outra em uma
hélice. Um palíndromo de DNA, portanto, refere-se a uma sequência de
letras de DNA, ou bases – A (adenina), C (citosina), G guanina) e T
(timina) – que são iguais quando lidas para frente em uma fita e lidas
de trás para frente na outra. .
Por exemplo, se uma fita ler
"GATC" em uma direção, essas bases de DNA formarão pares com "CTAG" na
fita oposta porque G sempre emparelha com C e A sempre emparelha com T.
Quando lido de trás para frente, CTAG se torna a sequência original ,
GATC.
Essas repetições são “regularmente interespaçadas”, o que
significa que essas regiões CRISPR no genoma contêm um padrão alternado
de palíndromos com sequências “espaçadoras” encaixadas entre elas. As
bactérias cooptam as sequências espaçadoras do DNA dos vírus invasores e as armazenam em suas regiões CRISPR para combater futuras infecções.
RNA CRISPR (crRNA) e Cas9:
O DNA CRISPR serve como um registro permanente de infecções passadas,
mas para que as bactérias usem essas sequências para impedir vírus, elas
devem convertê-las no primo do DNA, o RNA . Através de um processo denominado transcrição, as bactérias primeiro copiam uma das duas cadeias de DNA CRISPR em uma única cadeia complementar
de RNA; a fita é complementar porque corresponde ao código original do
DNA, exceto que substitui T por U (uracila). Em seguida, os micróbios
cortam a cadeia longa em fragmentos mais curtos de crRNA, cada um
carregando uma repetição e um espaçador.
A bactéria também produz uma segunda molécula de RNA, chamada “ crRNA transativador
” ou tracrRNA. Este RNA contém uma versão invertida da repetição
palindrômica na molécula de crRNA, permitindo que os dois RNAs se
liguem.
O complexo resultante pode então fixar-se no ADN viral
que transporta a sequência espaçadora, invocando uma enzima que corta e
desactiva esse ADN. A enzima, chamada “proteína 9 associada ao CRISPR”,
ou Cas9, é essencialmente uma tesoura molecular.
Existem também outros tipos de enzimas Cas que podem ser utilizadas na edição de genes. Por exemplo, um chamado Cas12a produz cortes escalonados
no DNA, nos quais uma fita é mais longa que a outra em cada
extremidade. As sequências de DNA podem então ser emparelhadas com a
fita saliente. Cas14 faz cortes no RNA
, em vez de no DNA, e pode ser útil para alterar temporariamente as
proteínas que uma célula produz sem fazer edições permanentes em seu
genoma.
Como o CRISPR edita o DNA?
Os pesquisadores aproveitaram a capacidade do sistema CRISPR de fazer cortes precisos no DNA. Ao adaptar o CRISPR para fazer edições desejáveis no genoma
de qualquer tipo de célula, os investigadores podem alterar genes ou
sequências de ADN que regulam a atividade dos genes, alterando a sua
função ou expressão.
“Tudo
o que você precisa fazer para atingir uma nova sequência é alterar o
guia”, disse Van Eenennaam, o que é barato e rápido de fazer. Em
contraste, outras técnicas de edição de genoma requerem o projeto demorado e caro de uma proteína produzida em laboratório que tenha como alvo uma sequência de interesse.
O
RNA guia é emparelhado com uma enzima Cas9 para fazer edições no
genoma. Uma vez que o RNA se liga à sequência desejada, a enzima avança e
corta ambas as fitas de DNA. Em resposta, a célula tenta colar os fios
novamente, mas usa um processo cheio de falhas
que muitas vezes introduz mutações. Por exemplo, pode adicionar algumas
letras extras. Esta mudança muitas vezes desativa o gene, tornando a
edição CRISPR uma estratégia simples para desligar genes.
Os
cientistas também modificaram a enzima Cas9 para fazer outros tipos de
edições. Ao desativar a tesoura genética do Cas9 e depois fundir esse
“Cas9 morto” com outra enzima, eles podem equipar o maquinário para alterar bases únicas , convertendo um C em um T, por exemplo. Esta formulação CRISPR é chamada de “ edição de base
” e permite aos pesquisadores fazer pequenas mudanças que alteram a
estrutura do produto codificado pelo gene, seja ele uma proteína ou RNA.
Dead Cas9 também foi combinado com enzimas que ativam ou silenciam genes para ajustar sua atividade. Dead Cas9 também foi fundido com proteínas fluorescentes , que acendem quando o RNA guia se liga a um trecho específico de DNA, revelando essencialmente seu código postal na célula.
Na década de 1990, estes aglomerados chamaram a atenção de mais cientistas quando Francisco Mojica (que cunhou o termo "CRISPR" ) e a sua equipa da Universidade de Alicante, em Espanha, os detectaram em outros 20 genomas bacterianos , sugerindo que tinham uma importância generalizada nas bactérias.
Pouco depois da publicação inovadora do trabalho de Charpentier e Doudna, Virginijus Šikšnys
do Instituto Universitário de Biotecnologia de Vilnius e seus colegas
também demonstraram como o CRISPR poderia ser usado na edição genética. O grupo de Feng Zhang no Broad Institute desenvolveu posteriormente outros sistemas CRISPR em ferramentas de edição de genes, incluindo um sistema de edição de RNA envolvendo uma enzima chamada Cas13 .
Os
sistemas de edição de genes CRISPR funcionam guiando as enzimas Cas
para um local específico no genoma, onde elas então cortam. (Crédito da imagem: Trinset via Getty Images)
Como o CRISPR tem sido usado nas pessoas? E nas plantas e nos animais?
O CRISPR tem sido usado para corrigir doenças genéticas, como fibrose cística e catarata
, em células cultivadas em laboratório e em animais de laboratório.
Também demonstrou sucesso recente como tratamento para outras condições
em testes em humanos. Notavelmente, o Reino Unido e os EUA aprovaram uma terapia genética baseada em CRISPR chamada Casgevy para duas doenças do sangue: doença falciforme e talassemia beta. Esta é a primeira terapia baseada em CRISPR a ser aprovada.
Casgevy atua cortando e desativando o gene BCL11A , que controla a mudança da hemoglobina fetal para a hemoglobina adulta logo após o nascimento.
A versão fetal se liga mais fortemente ao oxigênio
, permitindo que o feto obtenha oxigênio suficiente da corrente
sanguínea da mãe. A versão adulta normalmente assume o controle após o
nascimento, uma vez que o oxigênio pode ser obtido através da
respiração. No entanto, na doença falciforme e na talassemia beta, as
pessoas apresentam versões defeituosas do gene adulto. Casgevy reverte a
mudança para a hemoglobina adulta para que os pacientes possam
continuar usando o gene da hemoglobina fetal.
Além dos cuidados de saúde, a edição CRISPR tem sido utilizada para melhorar pelo menos 41 culturas alimentares
, incluindo arroz e trigo, melhorando a sua palatabilidade, valor
nutricional e resistência a doenças. Também tem sido usado para editar genes de porcos cujos órgãos são colhidos para operações de transplante humano.
Além
disso, Van Eenennaam usa CRISPR em experimentos de prova de conceito
para dotar animais de criação com características desejáveis. Por
exemplo, ela aumenta o rendimento da carne do gado para que os agricultores possam criar menos gado e, assim, limitar o seu impacto ambiental.
Quais são os perigos e desvantagens potenciais do CRISPR?
CRISPR
é uma ferramenta versátil e poderosa de edição de genoma, mas neste
momento apresenta algumas limitações e riscos e também levanta dilemas
éticos.
Por exemplo, no que diz respeito ao tratamento de doenças genéticas, algumas pessoas aceitam as suas condições e não as consideram como doenças
, disse Van Eenennaam. Por exemplo, "você deveria 'curar' a surdez
hereditária nos filhos de um casal surdo que não acredita que a surdez
seja uma coisa ruim?" ela questionou.
Em relação às limitações do
CRISPR, ele pode introduzir “efeitos fora do alvo” se a enzima Cas9
cortar o DNA em locais não intencionais do genoma. Isso pode ocorrer se
os pesquisadores não personalizarem a sequência guia de RNA para um alvo
de DNA único, mas, em vez disso, direcionarem uma sequência comum
encontrada em uma família de genes. Tais efeitos fora do alvo podem ter
resultados negativos para a saúde. Por exemplo, se o RNA guia
corresponder a um gene que suprime o crescimento do tumor, existe o
risco de que a sua desactivação possa tornar a célula cancerosa.
Outra questão é que a edição CRISPR não é 100% eficiente
, portanto, apenas uma proporção das células-alvo sofre a alteração
genética desejada. Isso significa que, em alguns cenários, as células
não editadas podem evitar efeitos prejudiciais fora do alvo e, portanto,
se sair melhor do que as células editadas e, eventualmente, superá-las
em número. Pesquisadores descobriram recentemente que células-tronco sanguíneas editadas podem morrer com o tempo , sugerindo que os tratamentos para distúrbios sanguíneos podem se tornar menos eficazes no longo prazo.
Estes
riscos também colocam considerações éticas relativamente à utilização
de CRISPR na pecuária. Van Eenennaam normalmente usa “ edição de linhagem germinativa
” na pecuária, que envolve atingir células sexuais, como óvulos e
espermatozoides, ou óvulos fertilizados. Isso torna as edições CRISPR
hereditárias entre um animal e sua prole. O grupo de Van Eenennaam não
insere genes recém-projetados no gado, mas sim transfere genes
desejáveis existentes de uma vaca para outra.
Há
uma chance de que edições fora do alvo possam prejudicar a saúde dos
animais. Mas Van Eenennaam argumenta que estas preocupações são muitas
vezes exageradas. “Haverá literalmente milhões de variações genéticas
entre dois touros” resultantes de mutações naturais, por isso os efeitos
fora do alvo são apenas uma gota no oceano, explicou ela.
Ainda assim, a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA afirma que a edição do genoma de animais de criação requer ampla supervisão
, em parte porque outras sequências de ADN acompanham frequentemente o
novo gene inserido no genoma. Essas transferências devem ser examinadas
para garantir que não sejam perigosas para os animais ou para os
consumidores humanos, diz o FDA. Se a agência considerar que um animal
editado é de baixo risco, pode conceder “ discricionariedade de aplicação ” que permita que ele e seus descendentes sejam comercializados, observou Van Eenennaam.
As gerações futuras
também não podem consentir com a possibilidade de efeitos nocivos fora
do alvo, tais como mutações que poderiam predispor ao cancro. Nita Farahany , bioeticista da Duke University, disse ao New York Times
que editar embriões seria antiético “até que possamos descobrir quais
são os efeitos fora do alvo e como podemos controlá-los”.
As
Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina estabeleceram
critérios que devem ser atendidos para que os ensaios clínicos de edição
de linha germinativa avancem. O grupo aconselha restringir a edição da linha germinal humana apenas aos genes cujas mutações podem levar a doenças graves para as quais não existem outras terapias.
Atualmente, as terapias genéticas utilizam principalmente uma técnica chamada “ edição somática
”. Isto se aplica ao Casgevy, por exemplo. A edição somática funciona
visando um subconjunto de células não sexuais no corpo e, portanto, não
transmite quaisquer alterações às gerações seguintes.
“O
benefício supera claramente qualquer risco hipotético” nestes contextos,
disse Van Eenennaam, portanto a edição somática do CRISPR é um
“acéfalo” quando se trata de terapia genética.
Nota do
editor: Uma nova versão deste artigo foi publicada em 1º de julho de
2024. A versão anterior foi atualizada pela última vez em março de 2023.
Kamal
Nahas é um colaborador freelance baseado em Oxford, Reino Unido. Seu
trabalho foi publicado na New Scientist, Science e The Scientist, entre
outros veículos, e cobre principalmente pesquisas sobre evolução, saúde e
tecnologia. Ele possui doutorado em patologia pela Universidade de
Cambridge e mestrado em imunologia pela Universidade de Oxford.
Atualmente trabalha como microscopista no Diamond Light Source, o
síncrotron do Reino Unido. Quando ele não está escrevendo, você pode
encontrá-lo caçando fósseis na Costa Jurássica.
