Existiam apenas oito ingredientes: duas proteínas, três agentes tamponantes, dois tipos de moléculas de gordura e alguma energia química. Mas isso foi o suficiente para criar uma flotilha de bolhas saltitantes e pulsantes – estruturas rudimentares semelhantes a células com algumas das máquinas necessárias para se dividirem por si próprias.

Para a biofísica Petra Schwille, as criações dançantes no seu laboratório representam um passo importante para a construção de uma célula sintética de baixo para cima, algo para o qual ela tem trabalhado nos últimos dez anos, mais recentemente no Instituto Max Planck de Bioquímica em Martinsried, Alemanha.

“Eu sempre fui fascinada por esta pergunta, ‘O que distingue a vida da matéria não-viva? O desafio, segundo Schwille, é determinar quais são os componentes necessários para se ter um sistema de vida. Em sua perfeita célula sintética, ela conheceria cada um dos fatores que a fazem funcionar.

Os pesquisadores têm tentado criar células artificiais por mais de 20 anos – juntando biomoléculas no contexto certo para aproximar diferentes aspectos da vida. Embora existam muitos desses aspectos, eles geralmente se enquadram em três categorias: compartimentação, ou a separação de biomoléculas no espaço; metabolismo, a bioquímica que sustenta a vida; e controle informacional, o armazenamento e gerenciamento das instruções celulares.

O ritmo de trabalho tem sido acelerado, graças em parte aos recentes avanços nas tecnologias de microfluidos, que permitem aos cientistas coordenar os movimentos de componentes celulares minúsculos. Os grupos de pesquisa já determinaram formas de esculpir blobs semelhantes a células em formas desejadas; de criar versões rudimentares do metabolismo celular; e de transplantar genomas feitos à mão em células vivas. Mas reunir todos estes elementos continua a ser um desafio.

O campo está, no entanto, imbuído de um novo sentido de otimismo sobre a busca. Em setembro de 2017, pesquisadores de 17 laboratórios na Holanda formaram o grupo Building a Synthetic Cell (BaSyC), que tem como objetivo construir um “sistema de células, em crescimento e divisão” dentro de dez anos, segundo a biofísica Marileen Dogterom, que dirige o BaSyC e um laboratório na Delft University of Technology. O projecto é alimentado por uma subvenção de 18,8 milhões de euros (21,3 milhões de dólares) da Dutch Gravitation grant.

Em Setembro, a National Science Foundation (NSF) dos EUA anunciou o seu primeiro programa sobre células sintéticas, financiado no valor de 10 milhões de dólares. E vários investigadores europeus, incluindo Schwille, propuseram a construção de uma célula sintética como um dos esquemas emblemáticos da Comissão Europeia para o Futuro e Tecnologias Emergentes, que recebem um financiamento de mil milhões de euros.

Bottom-up biólogos sintéticos prevêem que as primeiras células totalmente artificiais podem despertar vida em pouco mais de uma década. “Tenho quase certeza de que chegaremos lá”, diz Schwille.

Todos na embalagem

Grupos de pesquisa fizeram grandes progressos recriando vários aspectos da vida celular, especialmente ao imitarem as membranas que envolvem as células e compartimentarem os componentes internos. Isso porque organizar as moléculas é a chave para fazê-las trabalhar juntas no momento e lugar certos. Embora você possa abrir um bilhão de bactérias e despejar o conteúdo em um tubo de ensaio, por exemplo, os processos biológicos não continuariam por muito tempo. Alguns componentes precisam ser mantidos separados, e outros reunidos.

“Para mim, é sobre a sociologia das moléculas”, diz Cees Dekker, um biofísico também da Delft University of Technology.

Para a maior parte, isto significa organizar biomoléculas sobre ou dentro de membranas lipídicas. Schwille e sua equipe são especialistas em membranas. A partir de uma década atrás, a equipe começou a adicionar proteínas Min, que direcionam o maquinário da divisão de uma célula bacteriana, a folhas de membranas artificiais feitas de lipídios. Os Mins, que os pesquisadores encontraram, iam e vinham das membranas e as faziam ondular e rodopiar1. Mas quando eles adicionavam os Mins às esferas de lipídios 3D, as estruturas estouravam como bolhas de sabão, diz Schwille. Seu grupo e outros superaram esse problema usando técnicas microfluídicas para construir recipientes de membrana do tamanho de células, ou lipossomos, que podem tolerar múltiplas inserções de proteínas – seja nas próprias membranas ou no interior.

O estudante de pós-graduação de Schwille, Thomas Litschel, e seus colaboradores dissolveram as proteínas Min na água e liberaram gotículas da mistura em um tubo de ensaio de fiação rápida. A força centrífuga puxa as gotículas através de camadas de lipídios densos que as encapsulam ao longo do caminho. Elas saem na outra extremidade como lipossomas de 10-20 micrómetros de diâmetro – aproximadamente do tamanho de uma célula vegetal ou animal média. Estes lipossomas, conhecidos como vesículas unilamelares gigantes (GUVs), podem ser feitos de diferentes maneiras, mas nas mãos de Litschel, as proteínas Min fizeram com que as GUVs pulsassem, dançassem ao redor e se contraíssem no meio2.

O grupo de Schwille quer capitalizar sobre seu conhecimento destas proteínas, que podem produzir padrões de membrana e se auto-organizar. “Nós entendemos estas moléculas muito bem”, diz ela. “Gostaríamos de ver até onde podemos chegar com elementos relativamente simples como os Mins.” Talvez, como sugere o trabalho de Litschel, a equipe possa usar as proteínas para moldar membranas para divisão ou para reunir componentes em uma extremidade de uma célula sintética. Assim como alguns físicos poderiam usar fita adesiva e papel alumínio para afinar suas experiências, Schwille diz que ela espera que essas moléculas biológicas úteis lhe dêem a capacidade de mexer com estruturas semelhantes a células: “Eu sou um experimentalista até ao osso.”

Os membros da equipa do Dekker também encheram os lipossomas com as suas proteínas favoritas usando um chip microfluídico (ver ‘As máquinas de bolhas’). No chip, dois canais contendo moléculas lipídicas convergem num canal cheio de água e cospem lipossomas do tamanho de células que podem conter várias moléculas biológicas, quer presas através da membrana ou flutuando livremente dentro do recipiente3.

O seu grupo experimentou pressurizar, deformar e remodelar os lipossomas para assumir formas não esféricas que imitam melhor as células. Os dispositivos microfluídicos dão aos pesquisadores mais controle para mover, classificar e manipular os lipossomas usando micro-canais que operam quase como circuitos. Este ano, o laboratório Dekker desenhou um chip que poderia dividir mecanicamente um lipossoma em dois, empurrando-o contra um ponto afiado4.

“Isto, claro, não é o que procuramos – queremos demonstrar a divisão a partir do interior, mas ainda assim nos diz informações interessantes”, diz Dekker. Exemplos incluem a força necessária para dividir uma célula, e que tipos de manipulação física os lipossomas podem tolerar. Na mesma linha, sua equipe também jogou com a forma de células Escherichia coli vivas – tornando-as mais largas ou quadradas, cultivando-as em câmaras de silicone nanofabricadas. Desta forma, os membros da equipe podem ver como a forma celular afeta o mecanismo de divisão e avaliar como as proteínas Min funcionam em células de diferentes tamanhos e formas5.

“Nós brincamos com técnicas de nanofabricação e fazemos coisas que um biólogo celular normal nunca faria”, diz ele. “Mas um biofísico estranho como eu pode fazer isso”

Adicionando energia ao sistema

Agora que é possível adicionar componentes às bolhas de lipossoma sem rebentar, os grupos podem planejar como fazer as moléculas funcionarem juntas. Quase tudo como vida requer energia celular, geralmente sob a forma de ATP. E embora isto possa ser adicionado de fora para alimentar um sistema sintético, muitos biólogos trabalhando em abordagens de baixo para cima argumentam que uma verdadeira célula sintética deve ter sua própria planta de energia, algo semelhante ao mitocôndrio de uma célula animal ou ao cloroplasto de uma planta, ambos fazem ATP.

Joachim Spatz’s group no Instituto Max Planck para Pesquisa Médica em Heidelberg, Alemanha, construiu uma mitocôndria rudimentar que pode criar ATP dentro de uma vesícula.

Para isso, a sua equipa tirou partido de novas técnicas de microfluidos. Primeiro, eles estabilizaram GUVs, colocando-os dentro de gotículas de água em óleo rodeadas por uma casca viscosa de polímeros. Depois, como estas gotas de GUVs estabilizadas fluem por um micro canal, a equipe injetou grandes proteínas nelas, seja dentro da vesícula ou embutidas na superfície da membrana (ver ‘As linhas de montagem’).

Carregaram estas membranas com uma enzima chamada ATP synthase, que actua como uma espécie de roda de água molecular, criando energia ATP a partir de moléculas precursoras à medida que os prótons fluem através da membrana. Ao adicionar ácido para impulsionar os prótons fora dos GUVs, a equipe impulsionou a produção de ATP no interior6.

Spatz explica que os pesquisadores poderiam fazer o ciclo dos GUVs ao redor do micro-canal novamente para outra injeção de proteína, para adicionar seqüencialmente componentes. Por exemplo, o próximo passo poderia ser adicionar um componente que irá automaticamente configurar o gradiente de prótons para o sistema.

“Esse é um módulo importante, como você tem na vida real”, diz Spatz.

Outro grupo Max Planck de biologia sintética liderado pelo bioquímico Tobias Erb tem se desdobrado em outras abordagens para a construção de vias metabólicas celulares. Ele está particularmente interessado em caminhos que permitam aos micróbios fotossintéticos extrair dióxido de carbono do meio ambiente e fazer açúcares e outros blocos de construção celular.

Erb, um líder do grupo no Instituto Max Planck de Microbiologia Terrestre em Marburg, Alemanha, faz uma abordagem em branco para sintetizar as vias metabólicas celulares. “Do ponto de vista da engenharia, pensamos em como projetar”, diz ele, “e depois construímos no laboratório”.

O seu grupo esboçou um projeto de sistema que poderia converter CO2 em malato, um metabólito chave produzido durante a fotossíntese. A equipe previu que o caminho seria ainda mais eficiente do que a fotossíntese. A seguir, Erb e sua equipe pesquisaram em bancos de dados as enzimas que poderiam realizar cada uma das reações. Para alguns, eles precisavam ajustar as enzimas existentes em enzimas de design.

No final, encontraram 17 enzimas de 9 organismos diferentes, incluindo E. coli, um arquebactéria, a planta Arabidopsis e humanos. A reação, talvez sem surpresa, foi ineficiente e lenta7,

“Nós colocamos uma equipe de enzimas juntas que não jogaram bem juntas”, diz Erb. Depois de mais alguma engenharia enzimática, porém, a equipe tem uma “versão 5.4” que Erb diz operar 20% mais eficientemente do que a fotossíntese.

Expandindo este trabalho, o grupo de Erb começou a construir uma versão bruta de um cloroplasto sintético. Ao moer espinafre num misturador e adicionar a sua maquinaria de fotossíntese ao seu sistema enzimático no tubo de ensaio, os biólogos podem impulsionar a produção de ATP e a conversão de CO2 em malato – apenas através do brilho da luz ultravioleta sobre o mesmo.

Embora tudo possa funcionar por um breve tempo num tubo de ensaio, diz Erb, “no final, gostaríamos que ele fosse compartimentado, como um cloroplasto”. Ele está entusiasmado em colaborar com biólogos sintéticos como Kate Adamala, que pode construir e controlar compartimentos complexos.

O grupo de Adamala na Universidade de Minnesota em Minneapolis está trabalhando em formas de construir bioreatores programáveis, introduzindo circuitos genéticos simples em lipossomas e fundindo-os para criar bioreatores mais complexos. Ela os chama de “bolhas de sabão que produzem proteínas”.

O seu grupo constrói estes bioreactores usando um sistema de tubos giratórios semelhante ao de Schwille, mas que produz lipossomas mais pequenos. Os pesquisadores adicionam círculos de DNA chamados plasmídeos que eles projetaram para realizar uma função particular, juntamente com toda a maquinaria necessária para fazer proteínas a partir do DNA.

Por exemplo, seu grupo fez bioreatores lipossômicos que podem sentir um antibiótico em seu ambiente através dos poros da membrana e podem gerar um sinal bioluminescente em resposta8.

Fundindo bioreatores simples sequencialmente, a equipe pode construir circuitos genéticos mais complexos. Mas os sistemas começam a decompor-se à medida que se expandem para incluir cerca de dez componentes. Este é um grande desafio para o campo, diz Adamala. Em uma célula real, proteínas que podem interferir nas ações uns dos outros são mantidas separadas por uma variedade de mecanismos. Para células sintéticas muito mais simples, os biólogos devem encontrar outras formas de impor esse controle. Isto poderia ser através de gatekeeping externo, no qual o experimentador decide quais lipossomas se misturam e quando. Também pode ser feito através de tags químicos que regulam quais lipossomas podem se fundir, ou através de um sistema de liberação de tempo.

Injeções informacionais

Outra chave para fazer uma célula é obter o software correto. Permitir que uma célula sintética siga as instruções dos cientistas e se reproduza requer alguma forma de armazenamento e recuperação de informação. Para sistemas vivos, isto é feito por genes – desde centenas para alguns micróbios, até dezenas de milhares para humanos.

Quantos genes uma célula sintética precisará para funcionar por si mesma é uma questão de debate saudável. Schwille e outros gostariam de mantê-la em torno de algumas dezenas. Outros, como Adamala, pensam que as células sintéticas precisam de 200-300 genes.

Alguns escolheram começar com algo vivo. O biólogo sintético John Glass e seus colegas do Instituto J. Craig Venter (JCVI) em La Jolla, Califórnia, pegaram um dos menores genomas microbianos conhecidos do planeta, o da bactéria Mycoplasma mycoides, e sistematicamente interromperam seus genes para identificar os essenciais. Uma vez que tinham essa informação, costuraram quimicamente um genoma mínimo no laboratório.

Este genoma sintetizado continha 473 genes – cerca de metade do que estava no organismo original – e foi transplantado para uma espécie bacteriana relacionada, Mycoplasma capricolum9. Em 2016, a equipe mostrou que este genoma sintético mínimo poderia “arrancar” um organismo de vida livre, embora de crescimento lento10. Glass pensa que será difícil diminuir muito mais esse número: tirar qualquer gene e matar as células ou retardar o seu crescimento para perto de zero, diz ele.

Ele e seus colegas JCVI estão compilando uma lista de ‘tarefas celulares’ baseada na última versão de sua criação, JCVI-syn3.0a, que poderia atuar como uma planta da lista mínima de tarefas de uma célula. Mas para cerca de 100 desses genes, eles não conseguem identificar o que eles fazem que os torna essenciais.

Como próximo passo, e apoiado por uma doação NSF de quase $1 milhão, Glass e Adamala tentarão instalar o genoma JCVI-syn3.0a em um lipossoma sintético contendo a maquinaria necessária para converter o DNA em proteína, para ver se ele pode sobreviver. Nesse caso, tanto o software quanto o hardware da célula seriam sintéticos desde o início.

Se ele pudesse crescer e dividir, isso seria um passo tremendo. Mas muitos argumentam que para representar verdadeiramente um sistema vivo, ele também teria que evoluir e adaptar-se ao seu ambiente. Este é o objetivo com os resultados mais imprevisíveis e também os maiores desafios, diz Schwille. “Uma coisa que apenas se faz a si mesma o tempo todo não é vida – embora eu ficaria feliz com isso”, diz ela. “Para uma célula estar viva, ela precisa desenvolver novas funcionalidades.”

A equipa do JCVI tem feito experiências adaptativas de evolução laboratorial com o JCVI-syn3.0a, seleccionando para organismos que crescem mais rapidamente num caldo rico em nutrientes. Até agora, depois de cerca de 400 divisões, ele e sua equipe obtiveram células que crescem cerca de 15% mais rápido do que o organismo original. E viram aparecer um punhado de mudanças de sequência de genes. Mas ainda não há evidências de que o micróbio esteja desenvolvendo novas funções celulares ou aumentando sua aptidão por saltos e limites.

Erb diz que trabalhar como adicionar evolução às células sintéticas é a única maneira de torná-las interessantes. Esse pouco de confusão nos sistemas biológicos é o que lhes permite melhorar o seu desempenho. “Como engenheiros, não podemos construir uma célula sintética perfeita. Temos de construir um sistema auto-corrector que se torne melhor à medida que avança”, diz ele.

Células sintéticas podem levar a insights sobre como a vida pode parecer em outros planetas. E os bioreatores sintéticos sob o controle completo de um pesquisador podem oferecer novas soluções para tratar o câncer, combater a resistência aos antibióticos ou limpar locais tóxicos. Libertar tal organismo no corpo humano ou no ambiente seria arriscado, mas um organismo de engenharia de cima para baixo com comportamentos desconhecidos e imprevisíveis poderia ser ainda mais arriscado.

Dogterom diz que as células vivas sintéticas também trazem outras questões filosóficas e éticas: “Será isto uma vida? Será autónoma? Será que vamos controlá-la?” Estas conversas devem ter lugar entre os cientistas e o público, diz ela. Quanto às preocupações com o facto de as células sintéticas se tornarem um problema, a Dogterom está menos preocupada. “Estou convencida que a nossa primeira célula sintética será uma péssima mímica do que já existe.” E como os engenheiros da vida sintética, ela e os seus colegas podem facilmente incorporar controlos ou um interruptor que torna as células inofensivas.

Ela e outros biólogos sintéticos vão continuar a explorar as fronteiras da vida. “O momento é o certo”, diz Dogterom. “Nós temos os genomas, a lista de peças. A célula mínima precisa apenas de algumas centenas de genes para ter algo que pareça vivo. Centenas de partes é um tremendo desafio, mas não são milhares – isso é muito excitante.”