Linguagem de programação para programar células vivas criada pelo MIT

Engenheiros, biólogos e cientistas da computação se juntaram para criar uma linguagem de programação que permite desenvolver circuitos codificados em moléculas de DNA.

A linguagem é baseada em VerilogHDL uma linguagem de programação usada para programar chips de computador. Com a nova linguagem de programação criada pelo MIT é possível modificar as funções de células vivas já existentes ou adicionar novas funções.

Dos 60 códigos testados com a linguagem do MIT, 45 funcionaram perfeitamente.

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Os engenheiros biológicos do MIT criaram uma linguagem de programação que lhes permite projetar rapidamente circuitos complexos, codificados por DNA, que dão novas funções às células vivas.

Usando essa linguagem, qualquer pessoa pode escrever um programa para a função que deseja, como detectar e responder a determinadas condições ambientais. Eles podem então gerar uma seqüência de DNA que irá alcançá-lo.

"É literalmente uma linguagem de programação para bactérias", diz Christopher Voigt, professor de engenharia biológica do MIT. "Você usa uma linguagem baseada em texto, assim como está programando um computador. Então você pega o texto e compila e transforma em uma sequência de DNA que você coloca na célula, e o circuito corre dentro da célula. ”

Voigt e colegas da Universidade de Boston e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia usaram essa linguagem, que eles descrevem na edição de 1º de abril da Science, para construir circuitos que podem detectar até três entradas e responder de maneiras diferentes. Aplicações futuras para este tipo de programação incluem o projeto de células bacterianas que podem produzir um medicamento contra o câncer quando detectam um tumor, ou a criação de células de levedura que podem interromper seu próprio processo de fermentação se muitos subprodutos tóxicos se acumulam.

Os pesquisadores planejam disponibilizar a interface de design do usuário na Web.

Nenhuma experiência necessária

Nos últimos 15 anos, biólogos e engenheiros projetaram muitas partes genéticas, como sensores, chaves de memória e relógios biológicos, que podem ser combinados para modificar funções celulares existentes e adicionar novas.

No entanto, projetar cada circuito é um processo trabalhoso que requer grande conhecimento e, muitas vezes, muita tentativa e erro. "Você tem que ter um conhecimento muito íntimo de como essas peças vão funcionar e como elas vão se unir", diz Voigt.

Os usuários da nova linguagem de programação, no entanto, não precisam de nenhum conhecimento especial de engenharia genética.

“Você pode ser completamente ingênuo sobre como isso funciona. Isso é o que realmente é diferente sobre isso ”, diz Voigt. "Você poderia ser um estudante no ensino médio e ir para o servidor baseado na Web e digitar o programa que você quer, e ele volta a seqüência de DNA."

A linguagem é baseada no Verilog, que é comumente usado para programar chips de computador. Para criar uma versão da linguagem que funcionaria para células, os pesquisadores projetaram elementos de computação, como portas lógicas e sensores que podem ser codificados no DNA de uma célula bacteriana. Os sensores podem detectar diferentes compostos, como oxigênio ou glicose, bem como luz, temperatura, acidez e outras condições ambientais. Os usuários também podem adicionar seus próprios sensores. "É muito personalizável", diz Voigt.

O maior desafio, diz ele, foi projetar as 14 portas lógicas usadas nos circuitos para que elas não interfiram uma com a outra, uma vez colocadas no complexo ambiente de uma célula viva.

Na versão atual da linguagem de programação, essas partes genéticas são otimizadas para E. coli, mas os pesquisadores estão trabalhando na expansão da linguagem para outras cepas de bactérias, incluindo Bacteroides, comumente encontradas no intestino humano, e Pseudomonas, que muitas vezes vive em raízes de plantas, bem como a levedura Saccharomyces cerevisiae. Isso permitiria que os usuários escrevessem um único programa e compilassem para diferentes organismos para obter a sequência de DNA correta para cada um.

Circuitos biológicos

Usando essa linguagem, os pesquisadores programaram 60 circuitos com diferentes funções, e 45 deles funcionaram corretamente na primeira vez em que foram testados. Muitos dos circuitos foram projetados para medir uma ou mais condições ambientais, como nível de oxigênio ou concentração de glicose, e responder adequadamente. Outro circuito foi projetado para classificar três entradas diferentes e, em seguida, responder com base na prioridade de cada um.

Um dos novos circuitos é o maior circuito biológico já construído, contendo sete portas lógicas e cerca de 12.000 pares de bases de DNA.

Outra vantagem dessa técnica é sua velocidade. Até agora, “levaria anos para construir esses tipos de circuitos. Agora é só apertar o botão e obter imediatamente uma sequência de DNA para testar ”, diz Voigt.

Sua equipe planeja trabalhar em várias aplicações diferentes usando essa abordagem: bactérias que podem ser engolidas para ajudar na digestão da lactose; bactérias que podem viver nas raízes das plantas e produzir inseticida se sentirem que a planta está sob ataque; e levedura que pode ser projetada para se desligar quando eles estão produzindo muitos subprodutos tóxicos em um reator de fermentação.

O principal autor do artigo da Science é Alec Nielsen, estudante de pós-graduação do MIT. Outros autores são o ex-pós-doutorado do MIT Bryan Der, o pós-doutorado do MIT Jonghyeon Shin, o graduado da Universidade de Boston Prashant Vaidyanathan, Douglas Densmore, da Universidade de Boston, e Vanya Paralanov, Elizabeth Strychalski e David Ross.