Na medicina e na biotecnologia, a capacidade de evoluir proteínas com novas ou aprimoradas funções é crucial, mas os métodos atuais são frequentemente lentos e trabalhosos. Agora, cientistas do Scripps Research desenvolveram uma plataforma de biologia sintética que acelera a própria evolução, permitindo que os pesquisadores evoluam proteínas com propriedades novas e úteis milhares de vezes mais rápido do 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 Cátedra Presidencial L.S. “Sam” Skaggs. “Agora você pode evoluir proteínas de forma contínua e precisa dentro das células sem danificar o genoma da célula ou requerer etapas trabalhosas.”
A evolução direcionada é um processo laboratorial que envolve a introdução de mutações e seleção de variantes com funções aprimoradas ao longo de 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 frequentemente exigem várias rodadas de manipulação de DNA e testes, com cada rodada levando uma semana ou mais. Sistemas de evolução contínua – onde as proteínas evoluem dentro de células vivas sem intervenção manual – visam simplificar 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 gargalos 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 a hipermutação contínua e a evolução acelerada de biomacromoléculas, e é projetado para ser amplamente aplicável a muitos alvos proteicos e desafios biológicos. Conceitualmente, o T7-ORACLE constrói e estende os esforços em sistemas de replicação ortogonais existentes – o que significa que funcionam separadamente da maquinaria da própria célula – como OrthoRep em Saccharomyces cerevisiae (fermento) e EcORep em E. coli. Em comparação com esses sistemas, o T7-ORACLE se beneficia da combinação de alta mutagênese, crescimento rápido, alta eficiência de transformação e da facilidade com que tanto o hospedeiro E. coli quanto o plasmídeo replicon circular podem ser integrados em fluxos de trabalho de biologia molecular padrão.
O sistema ortogonal T7-ORACLE tem como alvo apenas o DNA plasmidial (pequenos pedaços circulares de material genético), deixando o genoma da célula hospedeira intocado. 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 do que o normal, sem danificar as células hospedeiras.
“Este 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 pode ter uma rodada a cada vez que a célula se divide – o que 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 de 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 superiores ao original. Esta prova de conceito não apenas demonstrou a velocidade e precisão do T7-ORACLE, mas também sua relevância no mundo real, replicando como a resistência se desenvolve em resposta a antibióticos.
“A parte surpreendente foi como as mutações que observamos 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 é focado na resistência a antibióticos per se.
“Este não é um artigo sobre TEM-1 β-lactamase,” ele explica. “Esse gene foi apenas um marco bem caracterizado para mostrar como o sistema funciona. O que importa é que agora podemos evoluir virtualmente qualquer proteína, como alvos de drogas contra o câncer e enzimas terapêuticas, em dias ao invés de meses.”
O potencial mais amplo do T7-ORACLE reside em sua adaptabilidade como uma plataforma para engenharia de proteínas. Embora o sistema esteja integrado em E. coli, a bactéria serve principalmente como um recipiente para evolução contínua. Os cientistas podem inserir genes de humanos, vírus ou outras fontes em plasmídeos, que são então introduzidos nas células de E. coli. O T7-ORACLE muta esses genes, gerando proteínas variantes que podem ser selecionadas ou afinadas para uma função aprimorada. Como E. coli é fácil de cultivar e amplamente utilizado em laboratórios, proporciona um sistema conveniente e escalável para evoluir virtualmente qualquer proteína de interesse.
Isso poderia ajudar os cientistas a evoluir mais rapidamente anticorpos para atacar cancers específicos, desenvolver enzimas terapêuticas mais eficazes e projetar proteases que atacam proteínas envolvidas em câncer e doenças neurodegenerativas.
“O que é empolgante é que não está limitado 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 de laboratório amplamente utilizados, evitando os protocolos complexos exigidos por outros sistemas de evolução contínua.
“A principal característica que diferencia isso é quão fácil é implementar,” acrescenta Diercks. “Não é necessário equipamentos ou expertise especializados. 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 chave – como replicação de DNA, transcrição de RNA e tradução de proteínas – para que funcionem independentemente da célula hospedeira. Essa separação permite que os cientistas reprogramem esses processos sem interromper a atividade celular normal. Ao desacoplar processos fundamentais do genoma, ferramentas como 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 na genômica sintética que estamos apenas começando a explorar.”
Atualmente, a equipe de pesquisa está focada em evoluir enzimas derivadas de humanos para uso terapêutico e em ajustar proteases para reconhecer sequências específicas de proteínas relacionadas ao câncer.
“A abordagem T7-ORACLE mescla o melhor de ambos os mundos,” diz Schultz. “Agora podemos combinar o design racional de proteínas com a evolução contínua para descobrir moléculas funcionais de forma mais eficiente do que nunca.”
Além de Diercks e Schultz, os autores do estudo, “Um sistema ortogonal T7 replisome 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 dos Institutos Nacionais de Saúde (concedido RGM145323A).