Pesquisadores induzem magnetismo a um organismo não magnético

Para compreender melhor a biologia subjacente da magnetização induzida, pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard e da Escola Médica de Harvard induziram magnetismo a um organismo não magnético. Enquanto cultivavam a levedura, os investigadores introduziram uma proteína, a ferritina, e derrubaram a expressão de outra proteína, ccc1, o que resultou em células com níveis de magnetismo aproximadamente três vezes mais elevados do que os tipos selvagens suplementados com ferro.

Os campos magnéticos abrangem todo o globo, mas poucos organismos conseguem senti-los. Na verdade, a forma como estes poucos organismos com consciência magnética, como as borboletas e as abelhas, ganham o seu magnetismo continua a ser um dos mistérios não resolvidos da biologia.

Agora, usando as ferramentas da biologia sintética, pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard e da Escola Médica de Harvard induziram magnetismo a um organismo não magnético: a levedura. E porque usaram uma via celular comum, as descobertas sugerem que tal magnetismo poderia ser alcançado em muitos tipos de células para uma variedade de aplicações industriais, médicas e de pesquisa. As descobertas aparecem na edição de 28 de fevereiro da Biologia PLoS.

“O magnetismo na natureza é uma função biológica única e misteriosa que poucos sistemas vivos exploram”, disse a investigadora principal Pam Silver, professora de Bioquímica e Biologia de Sistemas Elliott T. e Onie H. Adams no HMS. “Portanto, embora a levedura magnética possa parecer uma curiosidade, é na verdade um primeiro passo altamente significativo para aproveitar este fenômeno natural e aplicá-lo a todos os tipos de propósitos práticos importantes.”

A equipe de Silver adotou uma abordagem de engenharia. O primeiro autor, Keiji Nishida, pesquisador em biologia de sistemas na HMS, primeiro cultivou levedura em um meio contendo ferro. As células de levedura absorveram o elemento e o armazenaram em recipientes celulares chamados vacúolos. Ao colocar um ímã sob a cultura, Nishida viu que as células de levedura haviam se tornado ligeiramente magnéticas.

“Usamos o ciclo de projeto, construção e teste dos engenheiros”, disse Silver, que também é membro do corpo docente do Wyss Institute. “Funcionou, mas queríamos melhorar. É aí que empregamos a biologia sintética.”

As ferramentas da biologia sintética manipulam instruções biológicas naturais, como genes ou sinais celulares. Como as instruções que constituem o organismo biológico resultante não são encontradas juntas na natureza, a nova biologia é considerada “sintética”.

Para melhorar a levedura magnetizada, Nishida empregou duas ferramentas da biologia sintética: introduziu uma proteína, a ferritina, que se une ao ferro e evita que ele se torne tóxico para a célula. Ele também derrubou a expressão de outra proteína, a ccc1, que transporta o ferro para os vacúolos da célula. “As células que construímos acabaram formando cristais magnéticos de ferro em suas mitocôndrias, não um lugar onde as leveduras normalmente colocam ferro”, disse Nishida. Eles também exibiram níveis de magnetismo aproximadamente três vezes maiores do que os tipos selvagens suplementados com ferro.

Silver e Nishida também procuraram genes que pudessem contribuir para o magnetismo. Eles examinaram coleções de leveduras com diferentes genes eliminados em busca de mutantes que afetam o magnetismo. Eles se concentraram nos genes da homeostase do ferro, que regulam como as células armazenam ferro, e nos genes do estresse oxidativo, que regulam como as células usam o ferro.

Eles se concentraram em um gene: TCO89. Níveis aumentados aumentaram o magnetismo, enquanto níveis diminuídos o reduziram. Outras experiências mostraram que, para alcançar maior magnetismo, a proteína TCO89 deve interagir com o TORC1, um complexo proteico que regula o metabolismo celular. TORC1 é altamente conservado, o que significa que sua forma e função são semelhantes desde leveduras até células mais avançadas e até mesmo humanas. “Isso sugere que outras células podem ser potencialmente magnetizadas de forma semelhante”, disse Silver.

Tal capacidade poderia ter muitas aplicações. Num ambiente industrial, a magnetização pode ser um meio de isolar células durante um processo. “Muitas vezes há necessidade de sugar células que estão produzindo um produto ou contaminando um bioprocessador”, disse Silver.

Os engenheiros de tecidos poderiam guiar as células magneticamente para se colocarem em uma estrutura. E com a aplicação de ferramentas adicionais de biologia sintética, os médicos poderão um dia utilizar células concebidas para responder a um campo magnético através do crescimento ou da cura, ou implantar células estaminais magnéticas que possam ser rastreadas com imagens de ressonância magnética.

“Este estudo é um exemplo da facilidade com que se pode projetar a biologia”, disse Silver, que imagina que uma abordagem semelhante poderia ser usada para imitar outros fenómenos naturais incomuns. “A biologia é onde a química orgânica estava há cerca de 80 anos. Agora sabemos o suficiente sobre biologia para que ela possa substituir a química.”

A levedura sintética também pode auxiliar no estudo do magnetismo na natureza. Embora Nishida e Silver possam não ser capazes de estudar bactérias naturalmente magnéticas diretamente – isso não funciona bem em laboratório – “temos nosso próprio sistema evolutivo privado”, disse Silver. “Pode ser artificial ou não, mas é um ponto de partida que nos permite estudar a capacidade de evolução do fenômeno.”

Referência: “Making Magnetic Yeast” por Stephanie Huang, 28 de fevereiro de 2012, Biologia PLoS.
DOI: 10.1371/journal.pbio.1001274