Dispositivos sintéticos: interruptores de expressão gênica

S√≥ agora tive tempo para fazer um post sobre a nossa segunda reuni√£o do Clube Cient√≠fico de Biologia Sint√©tica da USP que, com certeza, vai render alguns posts.¬†¬†Conversamos sobre¬†uma das¬†primeiras constru√ß√Ķes gen√©ticas de biologia sint√©tica visando a robustez no controle de express√£o: a constru√ß√£o de um interruptor gen√©tico (toggle switch, flip flop,..).¬†Robusto porque √© capaz de funcionar corretamente a partir do modelo apesar de v√°rias incertezas do sistema.

Mas para entender o dispositivo, vou comentar alguns conceitos b√°sicos de biologia molecular: (i) promotores s√£o regi√Ķes do DNA que antecedem os genes e¬†s√£o reconhecidas pela RNA polimerase e um fator sigma associado para facilitar a transcri√ß√£o do gene, (ii) transcri√ß√£o √© processo de cria√ß√£o de um RNA complementar¬†a sequ√™ncia de DNA que posteriormente pode ser traduzido por um ribossomo a uma prote√≠na, finalmente, (iii) um repressor √© uma prote√≠na de liga√ß√£o de DNA que regula a express√£o de genes, atrav√©s da liga√ß√£o a um operador, e bloqueia a liga√ß√£o da RNA polimerase¬†no promotor,¬†impedindo a transcri√ß√£o de genes.

Utilizando esses conceitos b√°sicos de biologia molecular, Gardner e colaboradores (2000) constru√≠ram um interruptor para regular a transcri√ß√£o de genes em E. coli.¬†Chama-se um interruptor porque possuiu dois pontos de equil√≠brio (acesso ou apagado, direita ou esquerda, express√£o de X ou express√£o de Y). Vou dar o exemplo de apenas uma das constru√ß√Ķes, em que o repressor 2 (repressor LacI) reprime o promotor 2 (Ptrc-2), e o repressor (repressor Tet) reprime o promotor 1 (PltetO-1).¬† A subst√Ęncia IPTG (Indutor 2) inibe o¬†repressor 2 e¬†aTC (Indutor 1) inibe o repressor 1 (ver Figura abaixo).

Dessa maneira, basicamente, temos dois pontos de equil√≠brio: (i) com¬†a presen√ßa de aTC,¬†o repressor 2¬†√© transcrito e ocorre a repress√£o do promotor 2, n√£o havendo assim¬†a transcri√ß√£o do gene rep√≥rter (no caso uma prote√≠na luminescente GFP); (ii) e na presen√ßa de IPTG em que ocorre a transcri√ß√£o do promotor¬†2, e conseq√ľente transcri√ß√£o de GFP e do repressor 1.

Dessa maneira, existem dois estágios: aceso (transcrição de GFP) e apagado (sem transcrição de GFP). Este sistema é robusto porque funciona de acordo com o modelo proposto:

Onde u √© a concentra√ß√£o do repressor 1, v √© a concentra√ß√£o do repressor 2, őĪ1 √© a taxa efetiva de transcri√ß√£o do repressor 1, őĪ2 √© a taxa efetiva de transcri√ß√£o do repressor 2, ő≤¬†√© taxa de cooperatividade da repress√£o do promotor 2 e ő≥ √© taxa cooperatividade de repress√£o do promotor 1.¬†A a√ß√£o deste modelo corresponde a seguinte estrutura gr√°fica:

Este gráfico representa os dois pontos de equilíbrio do sistema, o estado 1 e o estado 2 (aceso e apagado, na presença de um dos indutores) e um outro ponto instável de equílibrio que mostra os dois repressores se regulando mutuamente. Seria mais fácil de entender se houvesse, de uma lado uma proteína luminescente verde e  do outro lado do dispositivo uma proteína luminescente amarela. Os estados de equilibro 1 e 2 representam verde ou amarelo, enquanto o ponto instável de equilíbrio representa a ausência de cor.

Este tipo de dispositivo pode ser utilizado na biotecnologia para regular vias metabólicas inteiras, ligando e desligando vias de acordo com um sinal externo; ou na medicina para acionar a resposta a um remédio por exemplo. Funcionam de uma maneira mais eficiente do que o controle via promotores específicos. No próximo post, vou comentar a utilização desse dispositivo para desenvolver uma bactéria que conta!

Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Gardner TS, Cantor CR and Collins JJ. Nature 403: 339-342 (2000).