Nova abordagem para transformação de DNA e mutação genética de bactérias
Por Centro Helmholtz de Pesquisa de Infecções com informações de Science Daily.
As bactérias possuem características únicas com grande potencial para beneficiar a sociedade. No entanto, os métodos atuais de engenharia genética para aproveitar essas vantagens são limitados a uma pequena fração de espécies bacterianas. Uma equipe liderada pelo Instituto Helmholtz para Pesquisa de Infecção Baseada em RNA (HIRI) em Würzburg introduziu agora uma nova abordagem que pode tornar muito mais bactérias passíveis de engenharia genética. Seu método, chamado IMPRINT, usa sistemas sem células para aprimorar a transformação de DNA em várias linhagens bacterianas. As descobertas foram publicadas hoje no periódico Molecular Cell.
Bactérias povoam praticamente todos os habitats da Terra, incluindo dentro e sobre nossos próprios corpos. Entender e projetar bactérias pode levar a novos métodos para diagnosticar, tratar e prevenir infecções. Além disso, apresenta oportunidades para proteger plantações de doenças e criar fábricas de células sustentáveis para produção química, reduzindo o impacto ambiental — apenas alguns dos muitos benefícios para a sociedade. Para desbloquear essas vantagens, os cientistas precisam da capacidade de manipular o conteúdo genético dessas bactérias. No entanto, um antigo gargalo na engenharia genética de bactérias tem sido a transformação eficiente do DNA, o processo de introdução de DNA estranho em uma célula. Isso limitou sua aplicação a apenas um pequeno subconjunto de micróbios.
Um grande obstáculo é a presença de sistemas de restrição-modificação. Esses sistemas de proteção marcam o genoma bacteriano com um padrão de metilação único e destroem o DNA estranho que chega sem esse padrão. Superar essa barreira requer adicionar o padrão da bactéria ao DNA, um processo que é específico da cepa e envolve múltiplas metiltransferases de DNA. Essas enzimas anexam grupos metil, pequenos grupos químicos contendo um átomo de carbono ligado a três átomos de hidrogênio, às bases do DNA. Os métodos atuais para replicar ou contornar esses padrões de metilação do DNA são trabalhosos e não facilmente escaláveis, necessitando de novas abordagens.
Enfrentando esse desafio, uma equipe liderada pelo Instituto Helmholtz para Pesquisa de Infecção Baseada em RNA (HIRI), um local do Centro Helmholtz de Pesquisa de Infecção de Braunschweig (HZI) em cooperação com a Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), introduziu uma nova abordagem para recriar esses padrões e aprimorar a transformação do DNA. Eles a chamaram de IMPRINT, que significa Imitating Methylation Patterns Rapidly IN TXTL. Como parte desse método, os pesquisadores usam um sistema de transcrição-tradução (TXTL) sem células — uma mistura líquida que pode produzir ácidos ribonucleicos (RNAs) e proteínas a partir do DNA adicionado — para expressar o conjunto específico de metiltransferases de DNA de uma bactéria. As enzimas são então usadas para metilar o DNA antes de sua entrega na bactéria alvo.
Uma aplicação totalmente nova
“IMPRINT representa um uso inteiramente novo de TXTL. Embora TXTL seja amplamente empregado para vários propósitos, incluindo a produção de proteínas difíceis de expressar ou como ferramentas de diagnóstico acessíveis, ele não foi utilizado anteriormente para superar barreiras à transformação de DNA em bactérias”, diz Chase Beisel, chefe do departamento de Biologia Sintética de RNA no HIRI e professor na Faculdade de Medicina da JMU. Ele liderou o estudo em colaboração com pesquisadores da North Carolina State University (NC State) em Raleigh, EUA. Suas descobertas foram publicadas no periódico Molecular Cell .
Comparado aos métodos existentes, o IMPRINT oferece velocidade e simplicidade: “As abordagens atuais exigem a purificação laboriosa de metiltransferases de DNA individuais ou sua expressão em E. coli, o que frequentemente se mostra citotóxico”, diz Justin M. Vento, primeiro autor do estudo que concluiu o trabalho como aluno de doutorado no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da NC State. “Esses métodos podem levar de dias a semanas e reconstituir apenas uma fração do padrão de metilação da bactéria.”
Os pesquisadores demonstraram que o IMPRINT poderia expressar uma gama diversa de metiltransferases de DNA. Além disso, essas enzimas poderiam ser combinadas para recriar padrões complexos de metilação. Isso melhorou muito a transformação de DNA em bactérias como o patógeno Salmonella e o probiótico Bifidobacteria, incluindo uma cepa desafiadora de transformar desta última, bactéria menos estudada.
A base para novos antibióticos e terapias baseadas em células
As aplicações potenciais na medicina moderna e na pesquisa são extensas: IMPRINT pode melhorar a transformação de DNA em isolados clínicos de patógenos bacterianos e em bactérias que combatem infecções, como bactérias comensais ou aquelas que produzem compostos antibacterianos. A modificação genética desses micróbios pode levar a novas classes de antibióticos e terapias baseadas em células.
A equipe de pesquisa pretende expandir o uso do IMPRINT: “Queremos tornar uma grande variedade de patógenos bacterianos geneticamente tratáveis para pesquisa”, diz Beisel. Ele espera que o IMPRINT seja amplamente adotado pela comunidade de pesquisa: “Até agora, certas bactérias foram favorecidas como modelos simplesmente porque são mais fáceis de manipular geneticamente. Estamos esperançosos de que, ao usar o IMPRINT, os pesquisadores serão capazes de se concentrar nas cepas bacterianas mais importantes, como aquelas com maior virulência ou resistência a antibióticos”, conclui Beisel.
O estudo foi apoiado por meio de financiamento da Fundação Nacional de Ciências dos EUA, da Fundação Alemã de Pesquisa, da Fundação Novo Nordisk, da Fundação Camille e Henry Dreyfus e do Ministério da Ciência e das Artes do Estado da Baviera por meio da rede de pesquisa bayresq.net.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pelo Helmholtz Centre for Infection Research . Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
Referência do periódico :
Justin M. Vento, Deniz Durmusoglu, Tianyu Li, Constantinos Patinios, Sean Sullivan, Fani Ttofali, John van Schaik, Yanying Yu, Yanyan Wang, Lars Barquist, Nathan Crook, Chase L. Beisel. A cell-free transcription-translation pipeline for recreating methylation patterns boosts DNA transformation in bacteria. Molecular Cell, 2024; DOI: 10.1016/j.molcel.2024.06.003
