Poucas mutações fazem estruturas simples de RNA ganhar movimento e até espaço para armazenar carga

Uma pequena quantidade de mutações foi suficiente para provocar uma transformação inesperada em estruturas artificiais feitas de RNA. Em laboratório, gotículas inicialmente simples passaram a desenvolver cavidades internas, movimentar-se por distâncias microscópicas e até armazenar moléculas dentro dessas novas regiões.

O resultado foi obtido por pesquisadores da Universidade de Heidelberg, do Centro Alemão de Pesquisa do Câncer e da Universidade de Augsburg, na Alemanha. O estudo foi publicado em 7 de outubro na revista Nature Chemical Engineering e divulgado pela Universidade de Heidelberg em 13 de outubro.

O mais interessante é que os cientistas não precisaram programar individualmente essas novas funções. Elas apareceram depois que mutações foram introduzidas no DNA usado como molde para produzir o RNA.

Gotículas carregam o próprio molde genético

O sistema criado pelos pesquisadores utiliza moléculas de RNA projetadas para formar estruturas chamadas nanostars, ou nanoestrelas. Elas possuem quatro braços e conseguem se ligar umas às outras, formando espontaneamente pequenas gotículas sem membrana.

Durante a formação dessas estruturas, o DNA que contém as instruções para produzir o RNA também acaba incorporado à própria gotícula.

Isso cria uma ligação entre genótipo e fenótipo: o código presente no DNA permanece fisicamente associado à estrutura que ele ajuda a produzir.

Essa característica interessa especialmente aos pesquisadores de biologia sintética porque a evolução depende justamente de alterações no material genético capazes de produzir características que eventualmente possam ser selecionadas.

Cientistas esperavam que as estruturas se desfizessem

Os pesquisadores então introduziram mutações nos moldes de DNA. A expectativa era que mudanças demais prejudicassem as interações entre as moléculas e acabassem desestabilizando as gotículas.

Foi aí que surgiu a surpresa. Em vez de simplesmente desaparecerem, algumas estruturas começaram a desenvolver grandes cavidades internas semelhantes a vacúolos.

Segundo a equipe, uma taxa de mutação de aproximadamente 3%, equivalente, em média, a sete bases alteradas no molde de uma nanoestrela de RNA, já foi suficiente para provocar o aparecimento dessas cavidades. Taxas mais altas produziram outros comportamentos, incluindo redes de RNA e agregados.

As cavidades também não eram estruturas passageiras. Nos experimentos, permaneceram estáveis durante longos períodos. A divulgação da Universidade de Heidelberg afirma que algumas conseguiram persistir por dias ou até semanas.

As cavidades fizeram as gotículas se moverem

A transformação não mudou apenas a aparência das gotículas. Quando os pesquisadores acompanharam as estruturas mutantes por microscopia, perceberam que elas se deslocavam significativamente mais do que aquelas produzidas com o DNA original.

O movimento ocorre porque os vacúolos crescem e redistribuem material dentro da gotícula. Conforme uma dessas cavidades muda de posição e volume, o centro da estrutura também se desloca.

Os cientistas observaram movimentos em escala de micrômetros durante períodos superiores a 50 horas.

Não se trata, porém, de um pequeno organismo nadando deliberadamente em determinada direção. As cavidades aparecem em diferentes posições, por isso os deslocamentos são irregulares e não possuem uma direção persistente.

Ainda assim, essa mobilidade teve uma consequência prática: as gotículas mutantes encontravam outras estruturas com maior frequência, permitindo que elas se fundissem e crescessem.

Novos compartimentos também conseguem guardar “carga”

Os pesquisadores descobriram outra função inesperada para as cavidades. Elas podem funcionar como pequenos compartimentos internos para armazenar determinadas moléculas.

Em um dos experimentos, moléculas de dextrano de aproximadamente 50 quilodaltons conseguiram atravessar a região mais densa de RNA e se acumular nos vacúolos. Partículas maiores, como pequenas vesículas lipídicas de cerca de 50 nanômetros, foram excluídas dessa região.

A equipe também utilizou uma sequência especial de RNA chamada aptâmero para fazer outras partículas se ligarem especificamente à superfície da gotícula. Dessa maneira, diferentes materiais poderiam, ao menos experimentalmente, ser direcionados para regiões distintas da mesma estrutura.

Um sistema simples ficando mais complexo por meio de mutações

Para os pesquisadores, o experimento chama atenção porque características mais complexas surgiram a partir de alterações relativamente pequenas no material genético.

As gotículas passaram a reunir algumas condições consideradas importantes para sistemas capazes de evoluir: conservam o material genético, mudanças nesse material alteram suas propriedades físicas e algumas dessas mudanças produzem novas funções.

Isso não significa que os cientistas tenham criado vida nem que as gotículas sejam células vivas. Elas são sistemas artificiais e muito mais simples, construídos especificamente para estudar princípios de biologia sintética.

O objetivo de longo prazo é entender se estruturas desse tipo podem ser submetidas a ciclos de mutação e seleção até desenvolverem propriedades cada vez mais complexas.

Os autores também apontam possibilidades futuras em materiais evolutivos, biotecnologia, sistemas de entrega de medicamentos e pesquisas sobre como estruturas moleculares muito simples poderiam adquirir características associadas aos primeiros sistemas semelhantes à vida. Essas aplicações, porém, ainda são perspectivas de pesquisa, não tecnologias prontas para uso.