Na medicina e biotecnologia, a capacidade de evoluir proteínas com funções novas ou aprimoradas é crucial, mas os métodos atuais costumam ser lentos e trabalhosos. Agora, cientistas do Scripps Research desenvolveram uma plataforma de biologia sintética que acelera o próprio processo de evolução – permitindo que pesquisadores evoluam proteínas com propriedades úteis e novas milhares de vezes mais rápido que a natureza. O sistema, chamado T7-ORACLE, foi descrito na Science em 7 de agosto de 2025 e representa um avanço na forma como os pesquisadores podem projetar proteínas terapêuticas para câncer, neurodegeneração e, essencialmente, qualquer outra área de doença.
“Isso é como dar um botão de avanço rápido à evolução”, diz o coautor sênior Pete Schultz, Presidente e CEO do Scripps Research, onde também ocupa a Cadeira Presidencial L.S. “Sam” Skaggs. “Agora você pode evoluir proteínas continuamente e com precisão dentro das células, sem danificar o genoma da célula ou exigir etapas que consomem muito tempo.”
A evolução dirigida é um processo laboratorial que envolve a introdução de mutações e a seleção de variantes com função aprimorada em múltiplos ciclos. É utilizada para moldar proteínas com propriedades desejadas, como anticorpos altamente seletivos e de alta afinidade, enzimas com novas especificidades ou propriedades catalíticas, ou para investigar o surgimento de mutações de resistência em alvos de drogas. No entanto, os métodos tradicionais geralmente requerem várias rodadas de manipulação de DNA e testes, com cada rodada levando uma semana ou mais. Sistemas para evolução contínua – onde as proteínas evoluem dentro de células vivas sem intervenção manual – visam agilizar esse processo, permitindo mutação e seleção simultâneas a cada rodada de divisão celular (aproximadamente 20 minutos para bactérias). Mas as abordagens existentes têm sido limitadas por complexidade técnica ou taxas de mutação modestas.
O T7-ORACLE contorna esses obstáculos ao engenharia bactérias E. coli – um organismo modelo padrão em biologia molecular – para hospedar um segundo sistema de replicação de DNA artificial derivado do bacteriófago T7, um vírus que infecta bactérias e tem sido amplamente estudado por seu sistema de replicação simples e eficiente. O T7-ORACLE permite hipermutação contínua e evolução acelerada de biomacromoléculas, e é projetado para ser amplamente aplicável a muitos alvos de proteínas e desafios biológicos. Conceitualmente, o T7-ORACLE se baseia e estende os esforços em sistemas de replicação ortogonais existentes – que operam separadamente da maquinaria própria da célula – como OrthoRep em Saccharomyces cerevisiae (fermento de pão) e EcORep em E. coli. Em comparação com esses sistemas, o T7-ORACLE se beneficia da combinação de alta mutagênese, rápido crescimento, alta eficiência de transformação e a facilidade com que tanto o hospedeiro E. coli quanto o plasmídeo replicon circular podem ser integrados em fluxos de trabalho padrão de biologia molecular.
O sistema ortogonal T-7 ORACLE visa apenas o DNA plasmídico (pequenos pedaços circulares de material genético), deixando o genoma do hospedeiro da célula intacto. Ao engenharia a DNA polimerase T7 (uma enzima viral que replica DNA) para ser propensa a erros, os pesquisadores introduziram mutações em genes-alvo a uma taxa 100.000 vezes maior que a normal, sem danificar as células hospedeiras.
“Esse sistema representa um grande avanço na evolução contínua”, diz o coautor sênior Christian Diercks, professor assistente de química no Scripps Research. “Em vez de uma rodada de evolução por semana, você obtém uma rodada a cada vez que a célula se divide – então isso realmente acelera o processo.”
Para demonstrar o poder do T7-ORACLE, a equipe de pesquisa inseriu um gene comum de resistência a antibióticos, TEM-1 β-lactamase, no sistema e expôs as células E. coli a doses crescentes de vários antibióticos. Em menos de uma semana, o sistema evoluiu versões da enzima que podiam resistir a níveis de antibióticos até 5.000 vezes maiores que o original. Esta prova de conceito demonstrou não apenas a velocidade e precisão do T7-ORACLE, mas também sua relevância no mundo real ao replicar como a resistência se desenvolve em resposta aos antibióticos.
“A parte surpreendente foi como as mutações que vimos corresponderam de perto às mutações de resistência do mundo real encontradas em ambientes clínicos”, observa Diercks. “Em alguns casos, vimos novas combinações que funcionaram ainda melhor do que aquelas que você veria em uma clínica.”
No entanto, Diercks enfatiza que o estudo não se concentra na resistência a antibióticos por si só.
“Este não é um artigo sobre TEM-1 β-lactamase”, explica. “Esse gene era apenas um marco bem caracterizado para mostrar como o sistema funciona. O que importa é que agora podemos evoluir praticamente qualquer proteína, como alvos de drogas contra o câncer e enzimas terapêuticas, em dias em vez de meses.”
A vasta potencialidade do T7-ORACLE reside em sua adaptabilidade como plataforma para engenharia de proteínas. Embora o sistema esteja integrado em E. coli, a bactéria serve principalmente como um veículo para evolução contínua. Cientistas podem inserir genes de humanos, vírus ou outras fontes em plasmídeos, que são então introduzidos nas células E. coli. O T7-ORACLE muta esses genes, gerando proteínas variantes que podem ser selecionadas ou testadas por funções aprimoradas. Como E. coli é fácil de cultivar e amplamente utilizada em laboratórios, oferece um sistema conveniente e escalável para evoluir praticamente qualquer proteína de interesse.
Isto pode ajudar os cientistas a evoluir mais rapidamente anticorpos para direcionar cânceres específicos, evoluir enzimas terapêuticas mais eficazes e projetar proteases que visem proteínas envolvidas em câncer e doenças neurodegenerativas.
“O que é emocionante é que não se limita a uma doença ou a um tipo de proteína”, diz Diercks. “Como o sistema é personalizável, você pode inserir qualquer gene e evoluí-lo para a função que precisar.”
Além disso, o T7-ORACLE funciona com culturas padrão de E. coli e fluxos de trabalho amplamente utilizados em laboratório, evitando os protocolos complexos exigidos por outros sistemas de evolução contínua.
“A principal característica que distingue isso é quão fácil é implementá-lo”, acrescenta Diercks. “Não há necessidade de equipamentos ou especializações especializadas. Se você já trabalha com E. coli, provavelmente pode usar este sistema com ajustes mínimos.”
O T7-ORACLE reflete o objetivo mais amplo de Schultz: reconstruir processos biológicos fundamentais – como replicação de DNA, transcrição de RNA e tradução de proteínas – para que funcionem independentemente da célula hospedeira. Essa separação permite que os cientistas reprograme esses processos sem perturbar a atividade celular normal. Ao desacoplar processos fundamentais do genoma, ferramentas como o T7-ORACLE ajudam a avançar a biologia sintética.
“No futuro, estamos interessados em usar este sistema para evoluir polimerases que possam replicar ácidos nucleicos totalmente não naturais: moléculas sintéticas que se assemelham ao DNA e RNA, mas com propriedades químicas novas,” diz Diercks. “Isso abriria possibilidades em genômica sintética que estamos apenas começando a explorar.”
No momento, a equipe de pesquisa está focada em evoluir enzimas derivadas de humanos para uso terapêutico e em adaptar proteases para reconhecer sequências proteicas específicas relacionadas ao câncer.
“A abordagem T7-ORACLE combina o melhor de ambos os mundos,” diz Schultz. “Agora podemos combinar design racional de proteínas com evolução contínua para descobrir moléculas funcionais de forma mais eficiente do que nunca.”
Além de Diercks e Schultz, os autores do estudo, “Um replisoma T7 ortogonal para hipermutação contínua e evolução acelerada em E. coli,” são Philipp Sondermann, Cynthia Rong, Thomas G. Gillis, Yahui Ban, Celine Wang e David A. Dik do Scripps Research.
Este trabalho foi apoiado por financiamento do National Institutes of Health (grant RGM145323A).
