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Abstract
Bacteria vs. vírus é uma das lutas mais antigas da Terra. Certos vírus precisam de infectar bactérias para se reproduzirem, mas as bactérias não querem ser infectadas. Como é que as bactérias que sobrevivem à infecção viral garantem que ela não volta a acontecer? Muitos tipos de bactérias desenvolveram um processo chamado CRISPR que as ajuda a lembrar os vírus que já viram antes. O CRISPR também permite que as bactérias evitem que o vírus as destrua. Embora os humanos não tenham CRISPR em suas células, eles descobriram algumas formas interessantes de usar CRISPR no laboratório.
Bacteria vs. Vírus: A Maior Guerra Menor
Você provavelmente já ouviu falar de bactérias e vírus que causam doenças humanas, e você pode saber como os humanos combatem as bactérias com antibióticos e como nós previnimos infecções tanto por bactérias como por vírus usando vacinas. Mas bactérias e vírus também lutam entre si há muito tempo, e estudar a forma como lutam nos ensinou muito sobre como os organismos mudam com o tempo e também levou à descoberta de uma ferramenta de pesquisa extremamente excitante.
Esta batalha entre bactérias e vírus é sobre a capacidade de reprodução. Tanto bactérias como vírus se reproduzem fazendo cópias idênticas de si mesmos, e as instruções para fazer isso são armazenadas em seu DNA.
Rasgando o Código de DNA
DNA é uma molécula longa que é construída a partir de uma combinação de quatro moléculas menores: adenina, timina, guanina e citosina (A, T, G e C para abreviar; Figura 1). As moléculas A, T, C e G podem ser amarradas juntas em muitas ordens diferentes para fazer um fio longo. Essa combinação específica de As, Ts, Gs, e Cs é como um código. Uma cadeia de DNA por si só não durará muito tempo em uma célula, então as cadeias se emparelham de acordo com regras específicas. Assim como só pode emparelhar com Ts, e Cs só pode emparelhar com Gs, assim as duas cordas acabam sendo uma espécie de opostos um do outro. As duas cordas de uma molécula de DNA são complementares. As duas cordas complementares giram uma em torno da outra para formar uma estrutura chamada dupla hélice.
- Figure 1 – estrutura do DNA e como as proteínas são feitas a partir do DNA.
- (A) Uma cordão de DNA contém uma seqüência de moléculas (A, T, C, e G) em uma determinada ordem. Duas fitas complementares de DNA se formam um par (A combina com T e C combina com G) e giram uma em torno da outra para fazer uma forma chamada de dupla hélice. (B) Para fazer uma proteína, primeiro, uma molécula de DNA passa por um processo chamado transcrição, para fazer uma molécula de RNA. A molécula de RNA então usa maquinaria celular para criar uma proteína, um processo conhecido como tradução.
Algumas seções do DNA, chamadas genes, contêm as instruções para construir proteínas (Figura 1). As proteínas são as principais moléculas que fazem coisas em uma célula. As proteínas ajudam a transformar os nossos alimentos em energia, movem as coisas no interior e entre as células e ajudam as células a comunicar. Os produtos proteicos dos genes e os trabalhos que eles fazem são como os genes resultam em traços físicos, como a cor dos olhos ou cabelos lisos ou encaracolados.
Muito do nosso DNA não é na verdade genes, no entanto. Muitas dessas outras seções do DNA ajudam a célula a saber quando fazer uma certa proteína, e quanto dessa proteína eles devem fazer.
Mas o que o DNA tem a ver com isso?
Então, agora que sabemos que códigos de DNA para proteínas, podemos pensar em como isso pode permitir que uma bactéria ou vírus faça uma cópia de si mesmo. Para uma bactéria se reproduzir, ela precisa fazer proteínas e moléculas suficientes para outra célula, copiar seu DNA para que a nova célula tenha a informação que precisa, e ela também precisa ficar maior e dividir. Um vírus, em comparação, é muito mais simples – apenas um pouco de DNA em uma capa proteica. Tanto as bactérias como os vírus têm instruções para fazer todas as proteínas que irão ajudar em todas as tarefas de reprodução. Então o que há para combater?
Falta-nos uma parte importante desta história: como é que uma proteína é feita? Acontece com a ajuda de uma molécula chamada RNA. O RNA é muito semelhante ao ADN, mas só tem um fio. Proteínas especiais podem fazer (ou “transcrever”) versões de RNA de genes que podem ser “lidas” por máquinas celulares que “traduzem” o código do RNA e constroem uma proteína (Figura 1). Você pode pensar sobre a diferença entre RNA e DNA desta forma: O ADN é como um manual de instruções, ou uma planta, ou um livro de receitas. Nenhuma alteração é feita na cópia matriz, mas se alguém quiser fazer algo com estas instruções, pequenas porções são copiadas e enviadas para onde o produto pode ser feito a partir dos materiais apropriados. Esse é o trabalho do RNA. É esta etapa intermediária do RNA que causa problemas para vírus e bactérias. As bactérias têm as instruções e as ferramentas para fazer proteínas, mas os vírus só têm as instruções – sem ferramentas.
A forma como alguns vírus compensam isso é seqüestrando as bactérias e usando suas ferramentas (Figura 2). Este tipo de vírus aterra e se prende ao exterior da bactéria e injeta seu DNA na bactéria. Se a bactéria não perceber que o DNA viral não é seu próprio, seguirá as instruções do DNA viral e criará mais vírus. A bactéria fará cópias do DNA viral e de muitas proteínas virais e permitirá que os novos vírus se reúnam dentro da bactéria. Por fim, os novos vírus rebentam a bactéria e saem para infectar mais bactérias .
- Figure 2 – Como é que um vírus se reproduz?
- Passo 1: O vírus liga-se ao exterior da bactéria e injecta o seu ADN na bactéria. Passo 2: Novo DNA viral e proteína são produzidos pela bactéria. Etapa 3: Novos vírus se juntam dentro da bactéria. Etapa 4: Novos vírus saem da bactéria para continuar e infectar outras bactérias.
As bactérias mais infectadas por um vírus que nunca viram irão morrer. De vez em quando, no entanto, uma bactéria não morre de infecção viral. Isto pode acontecer por causa de uma mutação no DNA daquela bactéria. Mutações são mudanças na seqüência de DNA de um gene, como pequenos erros, e acontecem o tempo todo em bactérias quando elas estão copiando seu DNA para a próxima geração. Alguns desses erros matam a bactéria, portanto ela não tem a chance de passar a mutação para a próxima geração. Outras mutações, porém, podem simplesmente passar despercebidas … até que a bactéria seja invadida por um vírus! De repente, acontece que a mutação realmente ajuda a bactéria a combater o vírus. As poucas bactérias que têm essa mutação útil são as que sobrevivem para se reproduzir, e elas passam essas mutações úteis para os seus descendentes. Esses descendentes, por sua vez, reproduzem-se, e eventualmente a mutação útil está presente na maioria das bactérias da população. Esta introdução de uma nova versão útil de um gene em todo um grupo de bactérias é um exemplo de evolução.
CRISPR: Defendendo as Bactérias Lembrando os Vírus
Neste ponto, você pode estar se perguntando como é a resistência aos vírus nas bactérias, e é aqui que entra o CRISPR (Figura 3). CRISPR significa Clustered Regularly InterSpaced Palindromic Repeats. Isso soa muito chique, mas na verdade é apenas uma descrição de algumas regiões especiais de DNA bacteriano. Nessas regiões, há dois tipos de sequências de DNA que se alternam: repetições e espaçadores. As repetições são a mesma coleção de letras repetidas várias vezes, mas os espaçadores entre elas são todos diferentes.
- Figure 3 – O que é CRISPR e como funciona?
- (A) Estrutura do CRISPR. Pequenas seções de DNA chamadas repetidas e espaçadores são dispostas em um padrão alternado. As repetições (aqui os diamantes pretos) são todas iguais, mas os espaçadores (os retângulos coloridos) são todos diferentes. Os genes Cas também são encontrados perto da região CRISPR. (B) Na primeira infecção, uma sequência curta de DNA viral é copiada para se tornar um novo espaçador. O novo espaçador é incorporado ao CRISPR. (C) Na segunda infecção, a bactéria produz um RNA a partir da região CRISPR. O RNA guia uma proteína cas para o DNA viral, e a proteína cas destrói o DNA viral.
Quando os cientistas encontraram pela primeira vez estas regiões especiais de DNA, eles não tinham certeza de qual era o seu propósito. Mas logo perceberam que os espaçadores eram muitas vezes muito semelhantes ao DNA viral. De onde veio este ADN viral? Será que o CRISPR poderia ajudar as bactérias a reconhecer e combater os vírus?
Em 2007, Rodolphe Barrangou e o seu laboratório decidiram explorar esta ideia (Facto engraçado: Barrangou trabalhou para uma empresa de iogurtes! Fazer iogurte requer bactérias, e às vezes essas bactérias são exterminadas por vírus. Era do interesse da empresa saber como as bactérias se protegem dos vírus ). Quando Barrangou comparou a região CRISPR de um tipo de bactéria não resistente a vírus com a de uma versão resistente a vírus da mesma espécie, eles descobriram que a única diferença entre eles era que a versão resistente a vírus tinha alguns espaçadores extras. Eles decidiram fazer um experimento para descobrir de onde esses espaçadores extras vieram.
Primeiro, eles expuseram bactérias não resistentes a vírus até que a bactéria se tornasse resistente a vírus. Quando compararam as regiões CRISPR das bactérias recém-resistentes e não-resistentes, descobriram que havia normalmente um a quatro novos espaçadores nas bactérias resistentes, e que esses novos espaçadores eram semelhantes ao DNA dos vírus aos quais as bactérias tinham sido expostas. Isto fez os pesquisadores pensarem que os espaçadores poderiam ter sido feitos a partir do DNA viral.
Barrangou e seu laboratório também eliminou e inseriu vários espaçadores que combinavam com diferentes vírus. Eles descobriram que quando apagaram um espaçador de uma bactéria resistente a vírus, essa bactéria perdeu a sua resistência ao vírus correspondente, e quando adicionaram espaçadores, a bactéria seria resistente ao vírus correspondente, mesmo que nunca tivesse visto esse vírus antes. Barrangou e seu laboratório concluíram que os espaçadores nas regiões CRISPR fornecem resistência aos vírus, salvando parte do DNA viral, o que permite que a bactéria “lembre” deles .
A resistência ao vírus (imunidade) surge em resposta à infecção. Normalmente, a imunidade não é transmitida aos descendentes, mas com CRISPR, pode ser, pois a imunidade é realmente codificada no DNA, que é transmitida através das gerações .
Desde que Barrangou fez suas primeiras experiências com CRISPR, descobrimos muito sobre como o CRISPR funciona para evitar que os vírus destruam a célula. A bactéria clica um pouco do DNA viral e adiciona-o a uma região CRISPR do seu próprio DNA. Se o vírus voltar, a bactéria torna o RNA da região do CRISPR específico para esse vírus. Essas cópias de RNA se combinam com algumas proteínas casadas (associadas ao CRISPR). O RNA guia a proteína cas para o DNA viral invasor, para que a proteína possa destruí-lo. Não há mais DNA viral, não há novos vírus. Estas cópias de RNA emparelham-se com algumas proteínas cas (CRISPR-associadas), que são feitas de genes cas.
Além de Bactérias: CRISPR no laboratório
Quando este mecanismo foi descoberto, os cientistas rapidamente perceberam que CRISPR poderia ter muitos usos interessantes e excitantes no laboratório . As pessoas descobriram que podiam dar a uma proteína cas a versão de RNA de qualquer pedaço de DNA que quisessem encontrar, e com a ajuda do RNA, a proteína iria lá e faria mudanças no DNA. As proteínas cas podem mudar uma letra, o que muitas vezes é suficiente para fazer o gene não funcionar mais, ou as proteínas cas podem apagar um gene inteiro ou uma seção de um gene.
Isso faz do CRISPR uma ferramenta fantástica para a genética, que é o estudo de traços herdados. Uma das maneiras que os geneticistas descobrem como os genes funcionam é apagando-os ou inativando-os e vendo o que dá errado no organismo. Isto tem sido feito por muitos anos, mas CRISPR nos permite fazer isto mais rápido e preciso do que nunca.
Também é possível que CRISPR possa ser usado para corrigir mutações prejudiciais que causam doenças em humanos, mas isto levanta algumas questões éticas sérias. Como vamos decidir quando usar esta tecnologia? E é correto fazer mudanças genéticas que podem ser herdadas por um indivíduo que não tenha consentido com essas mudanças? Ainda estamos muito longe do CRISPR em humanos, mas é importante fazer estas perguntas mais cedo, em vez de mais tarde.
Contribuições dos autores
MC escreveu o manuscrito e gerou todas as figuras. JJ supervisionou o trabalho e comentou sobre o manuscrito em todas as etapas. Ambos os autores revisaram o manuscrito final.
Glossary
DNA: Ácido desoxirribonucleico, uma molécula longa composta por uma combinação de quatro moléculas menores (A, C, T e G) que codifica toda a informação na célula.
Hélice Dupla: A forma do DNA se forma quando os dois fios complementares da molécula se emparelham e torcem.
Gene: Uma seção do DNA que codifica uma proteína.
Proteína: Uma classe de moléculas grandes, estruturalmente complicadas, responsáveis por muita actividade celular.
RNA: Ácido ribonucleico, uma única molécula encalhada feita de As, Gs, Cs, e Us. O RNA pode servir como um mensageiro entre o DNA e a maquinaria celular que faz proteínas, mas também tem outras funções.
Mutação: Uma mudança na sequência de ADN de um organismo, como a adição, troca ou eliminação de um A, C, T ou G.
CRISPR (Repetidas Palindrómicas Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats): O nome dado a uma região especial de alguns genomas bacterianos que contém espaçadores alternados e seqüências de repetição. É também o nome dado a um processo pelo qual as bactérias se defendem das infecções virais e por uma tecnologia laboratorial que permite a edição de genes.
Cas Genes: Os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de qualquer relação comercial ou financeira que pudesse ser interpretada como um potencial conflito de interesses.
Salmond, G. P. C., e Fineran, P. C. 2015. Um século do fago: passado, presente e futuro. Nat. Rev. Microbiol. 13:777-86. doi: 10.1038/nrmicro3564
Zimmer, C. 2015. Revelação do Editor de DNA Nascido de Bactérias. Revista Quanta. Disponível online em: https://www.quantamagazine.org/crispr-natural-history-in-bacteria-20150206/ (acedido a 26 de Novembro de 2017).
Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., et al. 2007. CRISPR proporciona resistência adquirida contra vírus em procariotas. Ciência 315:1709-12. doi: 10.1126/science.1138140
Barrangou, R., e Marraffini, L. A. 2014. Sistemas CRISPR-Cas: upgrade prokaryotes para imunidade adaptativa. Mol. Cell 54:234-44. doi: 10.1016/j.molcel.2014.03.011