Cientistas desaceleram envelhecimento celular com metodologia única

Há três anos, um grupo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, San Diego, decifrou os mecanismos essenciais por trás do processo de envelhecimento. Depois de identificar duas direções distintas que as células seguem durante o envelhecimento, os pesquisadores manipularam geneticamente esses processos para estender a vida útil das células.

Conforme publicado agora, em abril de 2023, na revista Science, agora eles estenderam essa pesquisa usando a biologia sintética para criar uma solução que impede que as células alcancem seus níveis normais de deterioração associados ao envelhecimento. 

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As células, incluindo as de leveduras, plantas, animais e humanos, todas contêm circuitos regulatórios de genes responsáveis por muitas funções fisiológicas, incluindo o envelhecimento.

“Esses circuitos de genes podem funcionar como nossos circuitos elétricos domésticos que controlam dispositivos como eletrodomésticos e automóveis”, disse o professor Nan Hao do Departamento de Biologia Molecular da Escola de Ciências Biológicas, o autor sênior do estudo e co-diretor do Instituto de Biologia Sintética da UC San Diego.

No entanto, o grupo da UC San Diego descobriu que, sob o controle de um circuito regulatório central de genes, as células não envelhecem necessariamente da mesma maneira. Imagine um carro que envelhece à medida que o motor se deteriora ou à medida que a transmissão desgasta, mas não os dois ao mesmo tempo. A equipe da UC San Diego imaginou um “processo de envelhecimento inteligente” que estende a longevidade celular passando a deterioração de um mecanismo de envelhecimento para outro.

No novo estudo, os pesquisadores reconfiguraram geneticamente o circuito que controla o envelhecimento celular. Do seu papel normal, funcionando como um interruptor de alternância, eles criaram um ciclo de feedback negativo para interromper o processo de envelhecimento. O circuito reconfigurado funciona como um dispositivo semelhante a um relógio, chamado de oscilador de genes, que faz com que a célula alterne periodicamente entre dois estados “envelhecidos” prejudiciais, evitando o compromisso prolongado com qualquer um deles e, assim, retardando a degeneração celular.

Esses avanços resultaram em uma longevidade celular dramaticamente estendida, estabelecendo um novo recorde para a extensão da vida útil por meio de intervenções genéticas e químicas.

Assim como os engenheiros elétricos frequentemente fazem, os pesquisadores deste estudo primeiro usaram simulações computacionais de como o circuito de envelhecimento central opera. Isso os ajudou a projetar e testar ideias antes de construir ou modificar o circuito na célula. Essa abordagem tem vantagens em economizar tempo e recursos para identificar estratégias eficazes de pró-longevidade, em comparação com as estratégias genéticas mais tradicionais.

“Esta é a primeira vez que a biologia sintética guiada por computação e os princípios de engenharia foram usados para redesenhar racionalmente circuitos de genes e reprogramar o processo de envelhecimento para promover efetivamente a longevidade”, disse Hao.

Vários anos atrás, a equipe multidisciplinar de pesquisa da UC San Diego começou a estudar os mecanismos por trás do envelhecimento celular, um processo biológico complexo que subjaz à longevidade humana e a muitas doenças. 

Eles descobriram que as células seguem uma cascata de mudanças moleculares ao longo de toda a sua vida até que eventualmente se degeneram e morrem. Mas eles notaram que as células do mesmo material genético e no mesmo ambiente podem percorrer rotas de envelhecimento distintas. 

Cerca de metade das células envelhecem por meio de um declínio gradual na estabilidade do DNA, onde as informações genéticas são armazenadas. A outra metade envelhece ao longo de um caminho ligado ao declínio das mitocôndrias, as unidades produtoras de energia das células.

O novo avanço da biologia sintética tem o potencial de reconfigurar abordagens científicas para o atraso do envelhecimento. Distinto de inúmeras tentativas químicas e genéticas de forçar as células a estados artificiais de “juventude”, a nova pesquisa fornece evidências de que é possível retardar o relógio do envelhecimento, impedindo ativamente que as células se comprometam com um caminho predestinado de declínio e morte, e que os osciladores de genes em forma de relógio poderiam ser um sistema universal para alcançar isso.

Referênca:

Zhen Zhou et al. Engineering longevity—design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging. Science 380, 376-381 (2023). DOI:10.1126/science.add7631