Polimerases de ADN fazem “doodling” e escrevem longas sequências de ADN sem molde

Cientistas descobriram que as polimerases de ADN conseguem escrever segmentos longos e estruturados de novo material genético sem precisarem de um molde para copiar.

Este resultado reposiciona um comportamento conhecido há muito tempo, mas pouco valorizado, como uma possível via para fabricar ADN em comprimentos que a química convencional ainda tem dificuldade em alcançar.

Evidência nas cadeias de ADN

Ao analisarem milhares de cadeias de ADN geradas espontaneamente por estas enzimas, os investigadores observaram que as sequências deixavam de parecer aleatórias e passavam a revelar padrões repetitivos bem definidos.

Na Universidade de Bristol, a equipa associou esses padrões a enzimas específicas e a determinadas condições de reacção, demonstrando que o que era produzido obedecia a regras identificáveis.

Essas regras davam origem a motivos que iam desde repetições simples até estruturas de sequência mais complexas, evidenciando muito mais organização do que se esperava anteriormente para este tipo de processo.

Como é possível orientar um resultado padronizado de forma muito mais eficaz do que controlar “ruído”, a descoberta levanta uma questão mais fundamental: afinal, que mecanismo permite este modo pouco comum de “escrita”?

“Doodling” de ADN

Em condições normais, uma polimerase de ADN - a enzima que constrói ADN letra a letra - trabalha copiando uma cadeia já existente.

Os cientistas chamam “doodling” a esta capacidade de as polimerases de ADN sintetizarem ADN sem um molde; e, uma vez adicionadas as primeiras unidades, estas podem favorecer que o mesmo tipo de padrão continue.

A temperatura e a disponibilidade dos blocos de construção do ADN determinam que unidades a enzima incorpora a seguir, o que leva à formação de diferentes padrões repetitivos.

Este ciclo de retroacção ajuda a explicar porque é que os produtos acabam por exibir padrões, em vez de se resumirem a cadeias totalmente aleatórias de material genético.

Porque é que o comprimento importa

Os métodos actuais de construção de ADN são mais eficazes em fragmentos curtos, porque cada passo adicional aumenta a probabilidade de ocorrer um erro.

Mesmo com avanços recentes, esses fragmentos só foram estendidos para valores na ordem dos poucos milhares de unidades de ADN, o que sublinha como continua a ser difícil construir sequências ainda mais longas.

Em contraste, o mesmo processo sem molde descrito acima gerou, numa única execução, cadeias de ADN com dezenas de milhares de unidades.

Esta diferença pode ser relevante sempre que os cientistas precisam de longos segmentos de ADN para montar genes ou para controlar a forma como as células se comportam.

Ler ADN através de sinais eléctricos

Para perceberem exactamente o que estas enzimas tinham produzido, os investigadores recorreram a um método que lê ADN detectando sinais eléctricos muito pequenos à medida que cada unidade atravessa um sensor.

Esta abordagem permitiu acompanhar cadeias inteiras de ADN do princípio ao fim, em vez de as partir em fragmentos mais pequenos.

Em paralelo, foi usada uma segunda ferramenta para mapear a forma física das cadeias de ADN numa escala muito reduzida.

A junção da informação de sequência com a informação de forma deu uma visão mais nítida do que as enzimas geraram e de como se formaram essas cadeias longas.

Controlar a reacção

Quando os padrões ficaram claros, a equipa passou de uma postura de observação para uma tentativa de orientar activamente a reacção.

Ao ajustar o calor, alterou-se a velocidade a que as letras eram adicionadas, o que modificou o equilíbrio entre os blocos repetidos presentes nas cadeias finais.

Ao restringir a reacção a apenas dois dos quatro blocos de construção do ADN, as enzimas começaram a produzir segmentos longos e altamente regulares de repetição - alguns prolongando-se por mais de 1,000 unidades.

Esta resposta previsível a alterações simples fez o processo parecer menos aleatório e mais semelhante a algo que os cientistas poderão controlar de forma deliberada.

ADN construído a partir do zero

Este comportamento foi observado pela primeira vez há décadas, quando experiências iniciais mostraram que algumas polimerases de ADN conseguiam iniciar a síntese de novo ADN mesmo sem uma cadeia para copiar.

Um artigo de 1960 descreveu um desses produtos inesperados, relacionando o efeito com apenas duas letras de ADN.

“Há décadas que se sabe que as polimerases de ADN fazem doodling, mas isso tem sido, em grande parte, tratado como uma curiosidade”, disse Gorochowski.

Os resultados de Bristol mudaram esse enquadramento ao mostrarem que é possível mapear, comparar e orientar este tipo invulgar de produção.

Um caminho para variação genética

Se as células, por vezes, conseguirem criar sozinhas novos padrões de ADN, este processo poderá constituir uma via para gerar variação genética.

Pequenas repetições podem alterar a forma como o ADN se dobra ou como os genes são regulados, mesmo quando as letras subjacentes parecem simples.

Ao ligar condições específicas a padrões específicos, o novo trabalho oferece aos investigadores uma forma mais eficaz de questionar em que situações tais sequências poderão surgir.

A ideia ainda é provisória em células vivas, mas o estudo torna muito mais simples testá-la directamente.

Implicações para a biotecnologia

Um sistema controlável baseado em enzimas poderia tornar mais fácil e mais barato produzir longos segmentos de ADN, que hoje continuam a ser difíceis e demorados de montar.

Esta área concebe ou reconstrói sistemas vivos para tarefas práticas, e o acesso a sequências longas condiciona frequentemente aquilo que os investigadores conseguem tentar.

“O nosso trabalho mostra que se trata de um processo ajustável, com implicações para a forma como novo material genético é criado e com um potencial real para a biotecnologia”, disse Gorochowski.

Ainda assim, qualquer plataforma prática terá de garantir um controlo fiável sobre erros de sequência, distribuição de comprimentos e subprodutos indesejados.

Limitações do estudo e investigação futura

Nem todas as cadeias longas geradas por doodling serão úteis, porque as repetições podem dominar e a ordem exacta continua a ser difícil de comandar.

Enzimas concebidas por engenharia poderão melhorar esse controlo, mas o campo precisa, ainda, de formas mais limpas de iniciar, parar e verificar cada produto.

As questões de segurança também ganham peso quando se passar de cadeias experimentais misturadas para componentes biológicos desenhados para aplicações reais.

Estas limitações mantêm o trabalho numa fase de investigação, apesar de o resultado de base parecer agora mais aplicável do que antes.

O que se desenha é uma imagem das polimerases de ADN como algo mais do que meras enzimas de cópia, capazes de produzir material longo e padronizado.

O passo seguinte exigirá um controlo mais apertado e melhores verificações de erro, mas o resultado já alarga o leque do que os cientistas podem pedir a estas enzimas para fabricar.