Autonomous Homeostatic Synthetic Cells via Self-Gating DNA Nanopores

A vida, em todas as suas formas, da menor bactéria à maior baleia, compartilha um segredo fundamental: a capacidade de permanecer a mesma enquanto tudo ao seu redor muda. Essa estabilidade interna é chamada de homeostase. É a razão pela qual o seu corpo mantém uma temperatura constante mesmo quando o clima muda, ou por que os níveis de açúcar no seu sangue permanecem equilibrados após uma refeição. Os seres vivos alcançam isso não por serem estáticos, mas por constantemente sentirem seu estado interno e fazerem pequenos ajustes automáticos. Eles sentem quando um composto químico está alto demais e diminuem sua produção, ou sentem quando está baixo demais e aceleram sua produção. Esse delicado ato de equilíbrio é o que permite que a vida persista. Para cientistas que tentam construir vida artificial do zero, criar um sistema que possa fazer isso por conta própria tem sido um dos desafios mais difíceis. A maioria das células artificiais é como quartos fechados; uma vez que os ingredientes dentro delas são consumidos, as reações param e o sistema morre. Elas carecem da capacidade de atrair combustível fresco do mundo exterior e regular essa ingestão com base no que está acontecendo no interior.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Surrey e da University College London construiu agora uma célula artificial minúscula que pode fazer exatamente isso. Eles criaram uma bolha microscópica que consegue sentir sua própria química interna e ajustar automaticamente quanto combustível deixa entrar para manter sua atividade constante. Este sistema, descrito em um estudo recente, utiliza uma combinação inteligente de estruturas de DNA e enzimas para criar um ciclo de autorregulação. Os pesquisadores não apenas observaram isso acontecer; eles construíram os componentes, montaram-nos dentro de uma bolha lipídica e observaram o sistema manter um estado estável por dezesseis horas, um tempo notavelmente longo para uma construção sintética tão simples.

A célula artificial que eles construíram é uma vesícula gigante unilamelar, que é essencialmente uma esfera oca feita de uma única camada de moléculas de gordura, semelhante à membrana de uma célula real. Dentro desta bolha, os pesquisadores colocaram a maquinaria necessária para produzir RNA, uma molécula que atua como mensageira e operária nos sistemas biológicos. Eles também adicionaram um sistema para decompor o RNA. A inovação crítica, no entanto, reside na pele da bolha. Os pesquisadores incorporaram pequenas estruturas tubulares feitas de DNA na membrana. Esses tubos de DNA atuam como portões ou poros, permitindo que pequenas moléculas passem. Especificamente, eles permitem que ribonucleotídeos trifosfato, ou rNTPs, fluam do ambiente externo para dentro da bolha. Estes rNTPs são os blocos de construção de que a célula precisa para fabricar RNA.

A genialidade do design está na forma como a célula controla esse fluxo. Os poros de DNA não estão permanentemente abertos; eles podem ser bloqueados. Os pesquisadores programaram o sistema para que, quando a célula produz RNA, ela também produza um tipo específico de fita de RNA que atua como um bloqueador. À medida que a célula produz mais RNA, essas fitas bloqueadoras se acumulam e tapam fisicamente os poros de DNA, interrompendo o fluxo de novos rNTPs. Isso cria um ciclo de retroalimentação negativa: quanto mais a célula trabalha, mais ela desliga seu próprio suprimento de combustível. No entanto, o sistema não foi projetado para permanecer fechado. Dentro da bolha, uma enzima chamada RNase devora lentamente os bloqueadores de RNA. À medida que os bloqueadores são degradados, os poros reabrem, permitindo que novos rNTPs entrem e o ciclo recomece. Este ciclo contínuo de abertura, fechamento e reabertura permite que a célula mantenha um nível constante e estável de produção de RNA, independentemente de quanto combustível esteja disponível do lado de fora.

Para provar que este sistema funcionava, os pesquisadores primeiro testaram os poros de DNA isoladamente. Eles carregaram as bolhas com um corante vermelho e as colocaram em uma solução com um corante verde. Quando os poros estavam abertos, o corante vermelho vazava e o corante verde entrava, confirmando que os poros eram funcionais. Eles então demonstraram que podiam interromper esse fluxo adicionando fitas bloqueadoras, efetivamente fechando os portões. Em seguida, demonstraram que os poros podiam deixar entrar rNTPs suficientes para impulsionar a maquinaria interna para fabricar RNA. Quando adicionaram uma etiqueta fluorescente que brilha apenas quando ligada ao RNA recém-fabricado, as bolhas com poros abertos brilharam intensamente, enquanto aquelas com poros bloqueados permaneceram escuras.

O teste final e mais significativo foi verificar se todo o sistema poderia manter a homeostase. Os pesquisadores colocaram as células totalmente montadas em uma solução contendo rNTPs e as observaram ao longo do tempo. Nas células onde os poros estavam permanentemente abertos, a produção de RNA continuava aumentando até que os recursos se esgotassem ou se tornasse caótica. Nas células onde os poros estavam permanentemente fechados, a produção de RNA parou quase imediatamente. Mas nas células com os poros de DNA autorreguladores, os níveis de RNA subiram até um ponto específico e depois permaneceram lá, constantes e estáveis, por dezesseis horas. O sistema ajustou automaticamente o fluxo de combustível para corresponder à taxa de degradação do RNA, criando um equilíbrio perfeito.

Os pesquisadores também mostraram que podiam ajustar esse equilíbrio. Ao adicionar uma fita específica de DNA que atua como um "limiar", eles puderam capturar alguns dos bloqueadores de RNA antes que chegassem aos poros. Isso significava que os poros permaneciam abertos por mais tempo, permitindo a entrada de mais combustível e resultando em um nível estável mais alto de produção de RNA. Essa capacidade de definir o nível alvo de atividade sem reconstruir todo o sistema sugere um alto grau de controle. O estudo demonstra que, ao combinar transporte, expressão gênica e degradação em um único ciclo de retroalimentação, é possível criar uma célula sintética que se comporta como um organismo vivo, mantendo sua estabilidade interna em um mundo em mudança. Este trabalho fornece um modelo para a construção de materiais mais complexos e adaptáveis e de células artificiais que possam operar por períodos prolongados sem intervenção humana.