A professora Jennifer Doudna ganhou o Prêmio Nobel de Química em 2020, juntamente com Emmanuelle Charpentier, pelo desenvolvimento de um método para editar o genoma.

Introdução

As células vivas contêm moléculas chamadas DNA, que servem como um “manual de instruções” detalhado que informa a cada célula como ela deve operar. O conjunto completo de instruções que compõem o manual é chamado de genoma do organismo, e contém toda a sua informação genética. Nesse manual, pequenos conjuntos de instruções, chamados genes, codificam proteínas individuais que determinam as funções específicas de cada célula (como a capacidade de contração das células musculares) e as características do organismo (como a cor da pele e dos olhos).

No entanto, existe um “intermediário” entre os genes e as proteínas: é uma molécula chamada RNA, uma cópia móvel do DNA que serve como “intermediário” entre o DNA e as proteínas, e transporta as informações do DNA para o “maquinário” celular que produz as proteínas. Ao contrário do DNA, o RNA é encontrado em todas as partes da célula, não apenas no núcleo.

Pequenos organismos, chamados vírus, podem interferir nesse processo e causar doenças, como foi o caso do vírus SARS-CoV-2, responsável pela pandemia de COVID-19. Os vírus infectam células inserindo seu material genético nelas e, em seguida, direcionando-as a criar cópias do vírus, que podem então se espalhar por todo o organismo.

Além das pessoas e dos animais, os vírus também podem infectar as bactérias. No entanto, certas bactérias possuem um tipo de sistema imunológico que as ajuda a se proteger contra vírus. Quando um vírus infecta uma célula bacteriana, a bactéria mantém uma cópia do DNA viral em um local especial em seu genoma, chamado CRISPR, no genoma bacteriano, que ajuda a proteger as bactérias contra infecções virais. A sigla CRISPR significa, em inglês, Repetições Palindrômicas Curtas Regularmente Interespaçadas em Cluster [1]. Essa parte do genoma bacteriano contém de algumas dezenas até centenas de pedaços de DNA de diferentes vírus, separados por pedaços repetidos de DNA bacteriano (Figura 1).

Esses pedacinhos de tipo CRISPR atuam como um sistema de memória, permitindo que a bactéria detecte rapidamente aquele DNA viral específico caso ele seja inserido novamente na bactéria. Utilizando proteínas especiais, chamadas proteínas Cas, a bactéria consegue não apenas detectar, mas também se livrar do DNA viral estranho. O sistema combinado de RNA e proteínas Cas é chamado de sistema CRISPR-Cas, um sistema dentro da bactéria que utiliza RNA CRISPR e proteínas Cas (associadas a CRISPR) para detectar e remover o DNA viral. [2].

A CRISPR-Cas9: uma tecnologia poderosa para edição genética

Ouvi falar de CRISPR pela primeira vez por volta de 2006. Naquela época, começava-se a entender que a CRISPR conferia imunidade às bactérias contra vírus [3], mas os cientistas não sabiam como. Quando comecei a trabalhar com Emmanuelle Charpentier, levantamos a hipótese de que esse mecanismo envolvia uma proteína que poderia fragmentar, ou “clivar”, o DNA viral. Sabíamos da existência de uma proteína chamada Cas9, que cooperava com o sistema CRISPR, mas sua função específica ainda era desconhecida [4]. Iniciou-se uma colaboração entre nossos laboratórios, liderada por dois estudantes talentosos, Martin Jinek e Krzysztof Chylinski, para estudar essa misteriosa proteína Cas9.

Sabíamos que, de alguma forma, a proteína Cas9 precisava encontrar o DNA viral específico. Nossa teoria era que, se a proteína Cas9 fosse ligada a um pedaço de RNA que correspondesse ao DNA viral, elas poderiam se parear e esse sistema levaria a Cas9 ao local correto no genoma. Então, combinamos a proteína Cas9 com um RNA que correspondesse à parte da sequência CRISPR (chamada crRNA) — para ver se ela cortaria uma sequência de DNA alvo que queríamos alterar, mas nada aconteceu.

Não desistimos. Em vez disso, consideramos a possibilidade de que uma peça pudesse estar faltando no quebra-cabeça. A resposta veio na forma de um pedaço adicional de RNA no qual o laboratório de Emmanuelle estava trabalhando, chamado tracrRNA [5]. Combinamos o tracrRNA com o crRNA e a proteína Cas9 e repetimos o experimento. Desta vez, o complexo atingiu e clivou com sucesso um pedaço específico de DNA (Figura 2). Descobrimos que o sistema natural CRISPR-Cas9 é um sistema de corte de DNA guiado por RNA duplo — em que dois pedaços diferentes de RNA são necessários para cortar o DNA viral.

Em seguida, buscamos simplificar esse processo. Isso envolveu determinar quais partes do crRNA e do tracrRNA eram essenciais e desenvolver um sistema mais simplificado. Fundimos as partes essenciais em um único pedaço de RNA projetado, transformando o sistema em um sistema de corte de DNA por RNA de guia único (Figura 2) [2, 6]. Isso foi extremamente importante porque é muito mais fácil produzir um pedaço de RNA desejado em laboratório do que combinar dois pedaços diferentes de forma confiável. Para saber mais sobre a descoberta do sistema CRISPR-Cas9, assista a este vídeo.

Estudos adicionais de vários grupos de pesquisa ajudaram a descobrir a estrutura da proteína Cas9 e mais detalhes do processo de clivagem. Foi descoberto que, quando o complexo CRISPR-Cas9 chega ao local correto na molécula de DNA, que é composta por duas fitas entrelaçadas, ele primeiro as separa. Em seguida, a porção de RNA do CRISPR adere à sequência correspondente no DNA. O complexo então usa pequenas “tesouras moleculares” para cortar ambas as fitas do DNA (para saber mais sobre a estrutura da Cas9 e o processo de clivagem, veja aqui).

Uma vez que o DNA é clivado, mecanismos de reparo do DNA são ativados na célula. Os cientistas podem aproveitar a capacidade do CRISPR de atingir um local específico no DNA para clivagem e reparo para essencialmente excluir, alterar ou substituir qualquer parte do DNA. Isso é chamado de edição genética ou edição genômica.

Após nossa descoberta, e uma simplificação inicial do sistema CRISPR-Cas9 para edição genética, muitos outros sistemas, com diferentes tipos de proteína Cas, foram desenvolvidos, e o campo da tecnologia CRISPR-Cas se expandiu. A edição genética por meio de sistemas CRISPR-Cas pode ser realizada em todos os tipos de células vivas, incluindo humanos, animais, micróbios e plantas. Isso a torna uma tecnologia “transversal” que influencia não apenas a pesquisa básica, mas também tem grande potencial para implicações nas áreas da medicina, agricultura e até mesmo as mudanças climáticas.

A CRISPR e Saúde Humana

A edição genética baseada na ferramenta CRISPR pode beneficiar a saúde humana de diversas maneiras (Figura 3), como no tratamento de doenças.

Existem mais de 7.000 doenças genéticas humanas, causadas por erros em genes específicos e que podem ser transmitidas de pais para seus filhos. As doenças genéticas incluem a anemia falciforme, na qual o formato dos glóbulos vermelhos é prejudicado, impossibilitando o transporte adequado de oxigênio; a fibrose cística, na qual a produção anormal de muco danifica os pulmões; e a doença de Huntington, na qual o acúmulo de uma proteína anormal danifica as células cerebrais. Se editarmos os genes mutados em pessoas com essas doenças, poderemos corrigir os erros e preveni-las. Já houve um sucesso notável no tratamento de distúrbios genéticos usando a tecnologia CRISPR — desde o tratamento de um paciente com anemia falciforme (saiba mais aqui) até um indivíduo com uma doença ocular chamada amaurose congênita de Leber, ou ACL (leia mais aqui).

Também é possível usar a CRISPR para tratar doenças não hereditárias, como a AIDS, na qual o sistema imunológico de uma pessoa é prejudicado. A AIDS é causada por um vírus chamado HIV, que o CRISPR pode atingir para remover seu DNA das células do paciente [7]. O câncer é outro exemplo importante. A CRISPR pode ser usado para melhorar a capacidade das células imunológicas do corpo de atingir e eliminar células cancerígenas [8].

Figura 3 – Exemplos de aplicações de CRISPR.

As tecnologias de edição genética baseadas em CRISPR têm aplicações em diversos campos, incluindo medicina, agricultura e mudanças climáticas.

A CRISPR e a saúde humana

Outra aplicação da CRISPR é a prevenção de doenças antes que elas surjam, um campo da prática médica chamado medicina preventiva.

A medicina preventiva pode reduzir muito sofrimento humano e conservar recursos valiosos, como financiamento e materiais, que de outra forma seriam usados ​​para tratar doenças. A CRISPR poderia ser usado para alterar certos genes relacionados a doenças para melhor, introduzindo mutações “boas” que previnem o desenvolvimento de uma doença no futuro.

A medicina preventiva baseada em CRISPR poderia ser aplicada, por exemplo, para prevenir doenças cardíacas [9], a doença de Alzheimer [10] e a disseminação de doenças infecciosas. A CRISPR pode ser usado para diagnosticar e tratar pacientes rapidamente, detectando o DNA de vírus (como o SARS-CoV-2) em pacientes ou em animais [11, 12]. A identificação precoce pode ajudar os médicos a tomar as medidas necessárias para prevenir a propagação da doença, como diretrizes de quarentena precoce. Além disso, o uso da CRISPR para eliminar organismos causadores de doenças de pessoas infectadas também poderia ajudar a interromper a disseminação da infecção [13].

A edição genética por CRISPR também pode ser usada para combater doenças transmitidas de animais para humanos. Por exemplo, algumas doenças, como a malária, são transmitidas aos humanos por mosquitos. Usando a ferramenta CRISPR, cientistas podem editar os genes de óvulos e espermatozoides em mosquitos para que seus descendentes sejam incapazes de infectar humanos com malária [14]. Isso significa que é possível modificar populações inteiras de mosquitos para se tornarem inofensivas aos humanos. Essa abordagem é chamada de edição do genoma da linha germinativa, que implica em alterar os genes em óvulos e espermatozoides dos genitores para que os genes alterados sejam transmitidos aos seus descendentes, e vai além da edição dos genes de apenas um indivíduo: significa que podemos usar a CRISPR para editar genes ao longo de muitas gerações de indivíduos.

Outros usos da CRISPR

Tecnologias de edição genética baseadas em CRISPR também podem ser usadas para modificar os genes de plantas, tornando as plantações mais nutritivas [15] ou alterando alimentos como o amendoim para reduzir alérgenos. É possível aprimorar seletivamente características específicas das plantações para aumentar a quantidade de alimentos colhidos ou tornar as plantas cultivadas mais resistentes a doenças, pragas de insetos, seca ou temperaturas extremas. Para controlar pragas agrícolas diretamente, poderíamos usar a CRISPR para editar os genes dos insetos e limitar sua capacidade de danificar as plantas [16]. Uma estratégia visa disseminar a infertilidade por uma população de pragas, de modo que ela seja incapaz de se reproduzir.

Além da agricultura, as tecnologias CRISPR podem ser aplicadas no combate às mudanças climáticas. Uma possível direção é a engenharia de organismos como algas para produzir biocombustíveis — combustíveis feitos de plantas, algas ou resíduos animais — que poderiam ser usados ​​para abastecer nossas casas e carros, ou para remover dióxido de carbono do ar por meio da absorção. Também pode ser possível modificar os genomas de micróbios para direcionar sua interação com as plantas de modo que armazenem dióxido de carbono em vez de liberá-lo no ar.

É necessário trabalhar mais

Continuam a acontecer progressos significativos na aplicação da CRISPR em muitas áreas, mas ainda há trabalho a ser feito para abordar suas limitações. Por exemplo, um grande problema com as tecnologias CRISPR atuais envolve sua administração, particularmente no caso dos seres humanos [17]. É difícil garantir que os complexos CRISPR-Cas cheguem às células corretas, e não a outras células que não foram alvo do tratamento. Para melhorar a administração, pesquisadores estão investigando outros sistemas CRISPR conhecidos, além do sistema CRISPR-Cas9 descrito neste artigo. Por exemplo, alguns vírus também possuem sistemas CRISPR-Cas [18] contendo proteínas Cas menores que podem ser mais fáceis de atingir em células específicas. Também estamos descobrindo novas proteínas Cas e projetando proteínas Cas conhecidas para melhorar sua função, tornando-as, por exemplo, mais eficientes na localização de sequências de DNA correspondentes e mais precisas em seu corte. Também poderíamos criar proteínas Cas que podem detectar e fragmentar RNA em vez de DNA [19], o que seria útil para lidar com vírus que têm RNA como material genético.

Além disso, poderíamos otimizar as moléculas-guia de crRNA transportadas pelas proteínas Cas — abordando esses desafios de uma perspectiva diferente, identificando as melhores sequências de crRNA para cada uso. Todas essas são áreas muito promissoras para aprimoramento e aplicação futuros, com potencial para revolucionar aspectos importantes de nossas vidas, como a saúde e a produção de alimentos.

Preocupações éticas

A tecnologia CRISPR provou ser extremamente poderosa e eficiente, e pode mudar a maneira como nos relacionamos com a natureza e uns com os outros. No entanto, devemos sempre ser cuidadosos e responsáveis ​​ao lidar com tecnologias tão impactantes. Imagine, por exemplo, se tivéssemos o poder de projetar “humanos aprimorados” com características e capacidades específicas ou de projetar com eficiência muitos dos animais e plantas ao nosso redor. Poderíamos mudar drasticamente o curso da evolução. Para ler mais sobre a responsabilidade ética em torno da CRISPR, consulte a última seção deste artigo.

Em 2015, apelei pela primeira vez à proibição mundial de toda a atividade CRISPR relacionada à edição do genoma da linha germinativa humana, após um cientista chinês ter editado os genomas de embriões gêmeos. Meu apelo à proibição foi uma forma pessoal de votar contra o uso irresponsável da tecnologia CRISPR. Desde então, muitos outros esforços importantes foram feitos para garantir o uso responsável da CRISPR [20].

Como sociedade, devemos garantir que nossa aplicação da tecnologia CRISPR seja segura e benéfica para todos. Os cientistas devem ajudar o público a compreender e aceitar o uso da CRISPR, bem como a necessidade de diretrizes éticas, incluindo descrições detalhadas de quando consideramos as tecnologias CRISPR seguras o suficiente para uso em humanos. Além disso, devemos estabelecer políticas e leis que garantam o cumprimento dessas diretrizes [21]. É fundamental que tenhamos cuidado para não usar essa poderosa tecnologia antes que as diretrizes éticas necessárias estejam em vigor. Se continuarmos a agir de forma ponderada, a CRISPR ajudará a inaugurar uma nova era de benefícios positivos e de longo prazo para nossa espécie.

Recomendação para Mentes Jovens

Durante toda a minha vida, a ciência tem sido sobre descobertas e encontrar como responder a perguntas para as quais ainda não temos respostas. Sempre abordo as questões científicas com um grande senso de admiração, pois até mesmo um experimento aparentemente trivial em laboratório pode produzir uma nova informação — uma informação que eu sou a primeira pessoa a aprender. Esse ato é como descascar uma cebola, descobrindo camadas e mais camadas de verdade sobre como o nosso mundo funciona. Acho isso muito emocionante e gratificante.

Eu vim de uma família muito humilde — ninguém na minha família era cientista. Durante a minha infância e ao longo da minha educação, continuei seguindo minha curiosidade e buscando o que me interessava, mesmo em tempos difíceis. É isso que aconselho à próxima geração de cientistas. Você pode não saber aonde sua curiosidade o levará, mas seja persistente e siga-a mesmo assim! Eu certamente não sabia que meu fascínio inicial pela CRISPR se tornaria uma tecnologia transformadora, com implicações em toda a ciência.

A persistência também é fundamental na gestão do medo. Em algum momento, todos nós temos dúvidas sobre se as coisas que buscamos darão certo ou se podemos nos envergonhar no processo. Esses medos são perfeitamente normais. Não podemos ignorá-los, mas certamente podemos administrá-los encontrando fontes de apoio e simplesmente indo em frente. Quando você se vir tendo que tomar decisões difíceis ou estiver preocupado em dar o próximo passo, lembre-se de abraçar tanto a possibilidade de sucesso quanto a de fracasso — sua paixão o levará na direção certa. Qualquer um pode encontrar a coragem para dar esse passo crucial, mesmo que seja assustador.

Talvez você também tenha paixão por responder a perguntas relacionadas ao mundo natural. Se isso lhe parece interessante, eu o encorajo a seguir uma carreira na ciência. Hoje em dia, jovens cientistas têm ferramentas muito poderosas à disposição, como a CRISPR. Isso torna nosso trabalho científico muito empolgante, mas também bastante desafiador (Figura 4).

Nossa responsabilidade como ciência, é garantir que usemos essas ferramentas com sabedoria, para que nosso trabalho tenha um impacto positivo na condição humana e no meio ambiente em que vivemos.

Glossário

DNA: O manual de instruções das células vivas.

Genoma: Toda a informação genética de um organismo.

Gene: Uma seção do DNA que determina uma função ou característica específica em um organismo.

RNA: Uma cópia móvel do DNA que serve como “intermediário” entre o DNA e as proteínas.

Sistema Imunológico: O sistema que ajuda os organismos a se manterem saudáveis ​​e a combater doenças.

CRISPR: Um sistema no genoma bacteriano que ajuda a proteger as bactérias contra infecções virais. Significa Repetições Palindrômicas Curtas Agrupadas e Regularmente Espaçadas na sigla em inglês.

Sistema CRISPR-Cas: Um sistema dentro das bactérias que utiliza RNA CRISPR e proteínas Cas (associadas ao CRISPR) para detectar e remover DNA viral.

Edição do Genoma da Linha Germinativa: Alteração de genes em óvulos e espermatozoides dos genitores para que os genes alterados sejam transmitidos aos seus descendentes.

Biocombustíveis: Combustíveis produzidos a partir de plantas, algas ou resíduos animais.

Referências

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Citação

Doudna JA (2024) The CRISPR Revolution: Can We Change Genes for the Better?. Front. Young Minds. 12:1063878. doi: 10.3389/frym.2024.1063878

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