IA transforma o Fanzor em enFanzor compacto para edição genética além do CRISPR

Um dos maiores entraves na edição genética não é alterar o ADN, mas sim fazer chegar a maquinaria de edição às células certas.

O CRISPR revolucionou a biologia; ainda assim, a proteína bacteriana em que assenta é suficientemente grande para tornar difícil a sua entrega dentro do organismo.

Um estudo recente apresenta um editor genético muito mais pequeno e com uma origem inesperada: fungos.

Depois de o optimizarem com inteligência artificial, os investigadores transformaram-no numa ferramenta compacta que poderá simplificar a entrega de terapias génicas.

O problema do tamanho

O editor chama-se Fanzor. Um trabalho de 2023 destacou-o como o primeiro cortador de genes programável deste tipo a surgir naturalmente em organismos com células complexas, e não em bactérias.

O seu principal trunfo é a dimensão. A proteína CRISPR padrão tem mais de 1,300 aminoácidos, enquanto o Fanzor usa menos de metade.

Como as ferramentas de edição entram no corpo através de vírus inofensivos com limites apertados de carga, um editor compacto encaixa onde sistemas CRISPR mais volumosos não cabem.

Havia, porém, um obstáculo: na sua forma natural, o Fanzor quase não funciona em células humanas, editando ADN a um nível demasiado baixo para ter utilidade.

Foi esse o problema que Jiaoyang Liao, investigadora de edição do genoma na East China Normal University (ECNU), em Xangai, decidiu resolver com a sua equipa.

Um atalho com IA

Melhorar manualmente uma proteína é um processo moroso. Troca-se um bloco de construção por outro, testa-se o resultado e repete-se - através de milhares de alterações possíveis.

A equipa de Liao passou essa pesquisa para um computador. O seu modelo, o Preditor de Aptidão do Fanzor, aprendeu a partir de padrões escondidos em proteínas naturais relacionadas.

Antes disso, não foram introduzidos no modelo quaisquer resultados experimentais. Apenas com base nesses padrões, o sistema ordenou todas as alterações únicas possíveis na proteína, consoante o quanto cada uma poderia aumentar a edição.

As previsões confirmaram-se. Entre as 98 alterações mais bem classificadas e seleccionadas para testes, mais de dois terços melhoraram o editor em células vivas - uma taxa de sucesso que métodos construídos à mão raramente conseguem.

Ao combinar as cinco melhores, a edição num gene humano passou de cerca de 3% das células para 36%. Isto representou quase 12 vezes o nível inicial.

Encurtar o RNA guia

Tornar a proteína mais eficiente resolveu apenas metade do desafio. Cada edição com Fanzor depende de um RNA guia, a sequência que conduz o cortador ao local correcto do genoma.

O melhor guia do Fanzor era um fio desajeitado com 350 letras - caro de produzir e difícil de acomodar dentro de um vírus. Em vez de criarem um guia curto do zero, os investigadores foram procurar soluções na natureza.

O fungo que alberga o Fanzor também possui no seu ADN mais de 100 sequências remanescentes semelhantes a guias. A equipa agrupou essas sequências aparentadas em famílias e testou representantes para avaliar a sua eficácia.

Um candidato destacou-se e, após alguns ajustes para o tornar mais estável, resultou num guia com apenas 75 letras.

Isto reduziu o comprimento em quase 80% sem perder desempenho de edição. Além de mais barato de fabricar, torna-se simples de empacotar num sistema viral de entrega.

Um bónus inesperado

A ideia por trás dos guias mais curtos era, em princípio, apenas facilitar. No entanto, produziram um efeito que ninguém antecipava.

Ao mapear os locais de corte do editor ao longo do genoma, a equipa observou que o guia reduzido gerava muito menos locais fora do alvo do que o guia longo.

Ou seja, o instrumento ficou mais pequeno e, ao mesmo tempo, mais preciso. Mas a maior surpresa surgiu na edição de bases - a técnica mais delicada que reescreve uma única “letra” do ADN sem cortar a dupla cadeia.

Até então, ninguém tinha criado um editor de bases a partir do Fanzor; e as primeiras tentativas mal funcionavam, alterando apenas algumas letras.

Quando trocaram para o guia curto, os valores dispararam. Num gene, a fracção de células com a alteração pretendida subiu de cerca de 7% para 33%.

Os dados deixam claro que um guia menor melhora simultaneamente a precisão e a eficiência da edição de bases, mas ainda não é possível explicar o motivo.

Pôr o enFanzor a trabalhar

Ao juntar a proteína optimizada com o guia encurtado obtém-se o enFanzor.

O sistema mostrou um desempenho competitivo face ao CRISPR padrão: ficou atrás na maioria dos locais, mas igualou-o ou superou-o em vários.

Comparado com um editor miniaturizado rival descrito num artigo anterior, venceu em 22 de 24 alvos partilhados. A verdadeira prova, porém, surgiu fora da placa de Petri.

A equipa de Liao entregou o enFanzor em células estaminais hematopoiéticas humanas, visando um interruptor genético associado a doenças do sangue hereditárias, e editou perto de metade dessas células.

Nesse mesmo alvo, o Fanzor não modificado mal chegava a 1%. Também funcionou em animais.

Injectado em embriões de ratinho para inactivar um gene de pigmentação, o enFanzor editou mais de 90% do alvo e originou uma ninhada de crias totalmente brancas; cada uma das 12 apresentava a alteração.

O que pode mudar

Duas conclusões sobressaem. Primeiro, um computador consegue redesenhar uma proteína de edição genética ao ler padrões em proteínas naturais aparentadas, sem precisar de resultados laboratoriais como ponto de partida.

Segundo, o resultado é um editor compacto que funciona em células reais e em animais vivos. A escolha do alvo ligado às células do sangue não foi por acaso.

O mesmo interruptor genético foi o alvo que um ensaio recente editou com CRISPR para libertar crianças com talassémia grave de transfusões.

Um editor mais pequeno concebido para esse mesmo alvo poderá, por isso, ser mais fácil de administrar em doentes. E o método poderá ter impacto para além desta ferramenta.

A mesma abordagem computacional pode ser aplicada a outros editores que hoje são demasiado ineficientes para uso prático, encurtando uma pesquisa de anos por mutações adequadas para algo pré-seleccionado à partida.

Num campo em que a entrega continua a ser um dos maiores obstáculos, isto abre um novo caminho.