Genômica: a ciência que rompe fronteiras e desafia os cientistas

Centro de Genômica Funcional na USP em Piracicaba é um dos locais do País que aplica conhecimento para compreender o DNA

Por - Editorias: Ciências, Universidade
Especialistas de laboratório manipulando amostras no Centro de Genômica Funcional na USP em Piracicaba– Foto: Gerhard Waller / Esalq / DvComun

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As informações genéticas estão presentes em todos os seres vivos, seja ele pequenino como uma bactéria, predador como uma onça, comestível como um fruto ou racional como um ser humano. Até os vírus, que não são considerados seres vivos, possuem informações genéticas.

O DNA contém regiões que codificam os genes. Os genes controlam o desenvolvimento, o funcionamento e a manutenção das células, sendo responsáveis por expressar características que serão herdadas dos progenitores para seus filhos. Assim, as particularidades de cada organismo são conferidas por seus genes.

Enquanto um irmão herda do seu pai o gene que lhe dá a cor azul do olho, o outro herda da sua mãe a cor castanha. E, apesar de um cachorro ser muito diferente de uma aranha, um número surpreendente dos genes encontrados em seus genomas são praticamente os mesmos. Os seres humanos e os camundongos, por exemplo, são espécies muito semelhantes geneticamente, já que 99% dos genes humanos foram mapeados em camundongos. Deste modo, ao mesmo tempo em que os genes explicam as diferenças morfológicas ou funcionais entre as espécies, eles se constituem na base comum que formula essas particularidades.

As diferenças entre um organismo e outro se dá pela maneira como os nucleotídeos se distribuem ao longo da molécula de DNA. Cada indivíduo tem uma sequência, que difere significativamente de espécie para espécie – e até mesmo dentro da mesma espécie, já que os seres humanos são 99,9% idênticos (geneticamente falando), uma pequena variação de 0,1% que faz cada um ser único.

“Quando falamos em diferenças genéticas, estamos falando somente da composição da sequência de DNA comparada entre duas ou mais espécies. Estamos indicando o número de nucleotídeos que são diferentes entre uma espécie e outra. Outros fatores, como os que envolvem formação e composição das proteínas, silenciamento e ativação diferencial de genes, elementos reguladores do genoma e algumas variações estruturais, não são considerados. Todos esses fatores em conjunto levam à grande diversidade existente e influenciam diretamente nas diferenças morfológicas vistas”, explica Tábita Hünemeier, professora do Instituto de Biologia (IB) da USP.

 

A informação genética de cada ser vivo, contida em seu DNA, é única. A sequência completa do DNA de um organismo compõe o seu genoma – Fonte: DvComun/Esalq/USP

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Rompendo fronteiras

A partir da genômica, área da ciência que estuda o genoma de um organismo, muitas informações importantes são obtidas, como a presença de mutações nos genes BRCA1 e BRCA2 – genes de suscetibilidade ao câncer de mama. Para obter essas informações, pesquisadores utilizam diversas técnicas moleculares que se baseiam em extrair, amplificar, sequenciar e analisar o material genético de um determinado organismo.

Inicialmente, é realizada a extração do DNA, que pode ser obtido de qualquer região do corpo, a depender sempre da pergunta que se quer responder. Após esse passo, é necessário amplificar esse DNA, para que seja aumentado o número de cópias da molécula, facilitando as análises subsequentes. Em seguida, é necessário sequenciar o genoma, que significa obter a ordem dos nucleotídeos do DNA de uma determinada espécie – no caso do ser humano, os seis bilhões de bases nitrogenadas. E por fim analisar os dados obtidos, seja com base em estudos já publicados, ou inferir resultados pioneiros.

As descobertas com esse tipo de estudo são variadas, incluindo pesquisas relacionadas à saúde, alimentação, extinção de espécies etc. Ao realizar a comparação genética de diferentes espécies, os cientistas descobriram, por exemplo, quando a vida surgiu na Terra – há cerca de 3,5 bilhões de anos –, além de concluírem que os genes são passados de geração a geração, e por processos evolutivos, modificações ocorridas no DNA dão origem a novas espécies.

A partir dos avanços tecnológicos, a genômica tem dominado a ciência do século 21, gerando informações que recebem destaques na grande mídia, geram dúvidas sobre o que ainda será descoberto e como se descortinará a vida no futuro. Um exemplo da aplicabilidade de obter o genoma da espécie humana é a possibilidade de traçar os caminhos percorridos pelo Homo sapiens desde a África até a América. “Tudo isso baseado no estudo das diferenças e similaridades encontradas nos seus genomas. Nativos americanos, asiáticos e europeus são subamostras da variabilidade africana, são populações derivadas das populações africanas”, conta Tábita.

A docente explica que a espécie humana surgiu na África entre 250-300 mil anos, e durante mais de 200 mil anos essa população cresceu, se diversificou e colonizou todo o continente africano, se adaptando a seus diferentes ecossistemas. “Há cerca de 60 mil anos, alguns sapiens, carregando apenas uma parte da variabilidade genética africana, saem da África para colonizar os outros continentes. Bem depois disso, há cerca de 15 mil anos, o continente americano é colonizado por nossa espécie. Cada passo dessa jornada levou tanto ao surgimento de nova variabilidade genética dentro de cada população continental, quanto à flutuação nas frequências das variantes gênicas comuns a todas as populações, criando perfis genômicos distintos que explicam tanto as diferenças quanto as similaridades entre as populações humanas atuais”, explica Tábita.

Outro exemplo de como a genômica pode ser aplicada é no que diz respeito à conservação de espécies ameaçadas de extinção, como a onça-pintada. Um dos principais grupos de pesquisa do País que estudam geneticamente o maior felino do continente americano é liderado por Eduardo Eizirik, biólogo e professor da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS).

 

Os primeiros organismos sequenciados

1980 – Início da genômica – Primeiros genomas virais, como do Bacteriófago ɸx174.
1995 – A primeira bactéria, a Haemophilus influenza.
1996 – O primeiro eucarioto, o fungo Saccharomyces cerevisiae.
1998 – O primeiro animal, o nematoide Caenorhabditis elegans.
2000 – A primeira planta, a Arabidopsis thaliana.
2000 – O primeiro patógeno de plantas, a Xylella fastidiosa.

2003 – O genoma humano é completamente sequenciado.

Nascido oficialmente em 1990, o Projeto Genoma Humano objetivava, entre outros aspectos, identificar todos os genes humanos e determinar a sequência dos cerca de 3,2 bilhões de pares de bases que compõem o genoma humano. Uma grande área tem se desenvolvido de modo a aprimorar os tratamentos médicos, a genômica médica, que tem gerado diversos estudos incluindo o controle da expressão gênica, a variação gênica humana e interações entre os genes e o ambiente.

Assim, cada vez mais os estudos genômicos rompem fronteiras, impactando diversas áreas do conhecimento, como por exemplo, desde a criação, a evolução e a extinção da vida. Em 2017, pela primeira vez os cientistas sequenciaram o genoma de indivíduos que foram mumificados no Egito antigo. Em 2016, pesquisadores japoneses obtiveram o sequenciamento do genoma de uma das espécies de tartígrado (Ramazzottius varieornatus) – o animal mais resistente do mundo. Em 2012, foi iniciado o projeto genoma da onça-pintada (Panthera onca), um dos mamíferos ameaçados de extinção. E para os próximos anos, importantes pesquisas permearam essa área da genética.

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O pesquisador cita que o foco principal do grupo é a genômica evolutiva de mamíferos, especialmente carnívoros. “Lideramos o projeto genoma da onça-pintada, que foi o primeiro mamífero silvestre brasileiro a ter o seu genoma sequenciado. Continuamos tralhando neste projeto, agora com foco em genômica populacional, sequenciando genomas completos e parciais de vários indivíduos provenientes de diferentes biomas, a fim de estudar como eles se diferenciaram, quais genes estão envolvidos na adaptação a diferentes ambientes e como este tipo de informação pode ser incorporado em programas de conservação”, explica.

Além da onça-pintada, o professor cita que seu grupo vem estudando os genomas de vários outros felinos brasileiros, como pumas e gatos-do-mato, bem como espécies de outros países, em parceria com os Estados Unidos e outros centros de pesquisa brasileiros. “Estudamos também os genomas de outros carnívoros terrestres brasileiros, como lontras, lobo-guará, cachorro-vinagre e raposas. Além disso, temos um outro projeto com foco em genomas de mamíferos aquáticos, que inclui a baleia-jubarte e lobos-marinhos”, informa.

Os resultados obtidos até agora pelo grupo, especialmente com a onça-pintada, foram bastante relevantes. “Descobrimos evidências genômicas que indicam que a onça teve uma história evolutiva que envolveu hibridação com outras espécies de grandes felinos, especialmente o leão. Descobrimos genes envolvidos em adaptação de espécies de grandes felinos aos seus ambientes (inclusive a onça, com genes bastante interessantes envolvidos no desenvolvimento craniofacial), e agora estamos descobrindo genes envolvidos em adaptação das onças aos diferentes ambientes em que elas vivem, como a Amazônia, o Pantanal etc.”, relata.

Eizirik cita que esses estudos são importantes não só para conhecer a história evolutiva destas espécies, mas também para viabilizar a inserção deste tipo de informação (muito mais completa do que poderia ser obtida anteriormente, com marcadores moleculares tradicionais) no planejamento de estratégias para a conservação da biodiversidade.

“A genômica da conservação está crescendo muito em nível mundial, e é importante que o Brasil possa se inserir nesse contexto da forma mais rápida e eficiente possível. Esperamos que os nossos estudos, bem como os de outros colegas brasileiros, possam contribuir para isso, do ponto de vista do desenvolvimento científico nacional, em uma área de fronteira e de rápida transformação tecnológica”, pondera.

Eizirik reforça que as ferramentas ômicas são fundamentais e seguirão expandindo suas aplicabilidades nos próximos anos em todas as áreas da biologia, bem como em diversos outros campos do conhecimento. “É crucial que o Brasil invista mais nessas áreas, especialmente em capacitação de recursos humanos para diferentes aspectos de bioinformática, para viabilizar que o nosso país tenha massa crítica capaz de lidar com a avalanche de dados complexos produzidos com essas tecnologias.”

Dentro desse contexto, o cientista destaca o papel do Centro de Genômica Funcional Aplicada à Agropecuária e Agroenergia, da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) da USP em Piracicaba, coordenado pelo professor Luiz Lehmann Coutinho.

“Considero muito importante a existência desse tipo de centro no País. Em nosso projeto com a onça, sequenciamos uma biblioteca genômica e algumas transcriptômicas nesse centro, que foi parceiro no estudo desde o início. Continuamos trabalhando em parceria, realizando sequenciamento genômico de algumas espécies de felinos, bem como geração de outros tipos de marcadores em escala genômica, a partir de genotipagem por sequenciamento.”

Leia mais: Laboratório da USP traz metodologias ômicas para pesquisas e empresas

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Os desafios agora são outros

 

Atualmente, o sequenciamento do genoma humano é considerado a parte fácil do trabalho. Enquanto o custo do primeiro genoma humano foi de quase três bilhões de dólares, hoje já é possível obtê-lo por menos de mil dólares. A parte difícil do trabalho é como desvendar o significado de uma sequência de DNA, um grande desafio para os cientistas, que encontram muita informação, a ponto de não saber o que fazer com ela. Afinal, são milhões de letras que contam sobre a vida de um organismo. Mas as histórias escritas por essas letras não são simples de serem decifradas.

O sequenciamento de um DNA é só uma ponta do iceberg. Após sua obtenção, são necessárias análises computacionais árduas para identificar quais trechos da sequência correspondem a genes, comparar a sequência com indivíduos da mesma espécie e de espécies diferentes etc.

Para a obtenção dessas informações, dentro da genética, há o mundo das “ômicas”, como a genômica, ciência que estuda o genoma de uma espécie a partir da obtenção da sua sequência, com o objetivo de entender a sua estrutura, organização e função. Além disso, há a transcriptômica, que analisa as moléculas de RNA; a proteômica, que estuda as proteínas formadas pela expressão gênica; a metabolômica, que estuda as pequenas moléculas orgânicas etc.

A integração de todas essas ferramentas tem permitido resultados muito promissores. “A genética tem passado por várias revoluções nas últimas décadas, que foram intensificadas nos últimos 10 anos. A meu ver, a grande revolução em relação à genética médica é o Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR, na sigla em inglês) – que consiste em uma técnica capaz de editar o genoma de uma determinada espécie –, pois pela primeira vez temos a oportunidade de reverter os fenótipos afetados pela edição direta das regiões que contém mutações patogênicas. Nesse contexto acho que teremos ainda mais avanços, e com eles surgirão discussões éticas a respeito dos limites para o uso dessa nova técnica”, reflete Tábita.

A professora também destaca que alguns países já estão em vias de mapear genomas completos de toda sua população, com o objetivo de usar essas informações para usos médicos, forenses e de identificação individual. “Pessoalmente, isso me causa um certo desconforto, pois me parece um controle exagerado do estado sobre a vida privada”, analisa.

Assim, qual seria o maior desafio dos estudos genômicos? A grande quantidade de informação a ser manipulada ou a incerteza dos desdobramentos, principalmente éticos, que esses estudos já estão causando no presente e poderão causar no futuro? Tábita diz que são justamente esses dois pontos somados: “Como manipular um novo mundo de informações garantindo que isso seja realizado de maneira ética. Ao mesmo tempo que novas técnicas são criadas, e novas informações são geradas, surgem também novos desafios éticos com os quais precisamos lidar”, analisa a cientista.

Eizirik também acredita que são ambos os desafios. “O primeiro do ponto de vista técnico. Os dados genômicos poderão ser o exemplo mais extremo de big data, e irão requerer novas soluções em termos de infraestrutura computacional, algoritmos de análise, métodos de integração de áreas, entre outros. Já o segundo aspecto, ético, com certeza representa um grande desafio, especialmente tendo em vista as possibilidades que já se descortinam em termos da manipulação da informação e criação de seres vivos com genomas modificados. O debate sobre esses temas é uma prioridade desde já”, finaliza.

Tássia Oliveira Biazon, especial para o Jornal da USP

*Bióloga pela Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus Botucatu, com dupla diplomação pela Universidade de Coimbra (UC), Portugal e pós-graduada em jornalismo científico na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Atualmente desenvolve um projeto de divulgação científica do Laboratório Multiusuários Centralizado em Genômica Funcional Aplicada à Agropecuária e Agroenergia, financiado pela bolsa Mídia Ciência da Fapesp, sob a orientação do professor Luiz Lehmann Coutinho.

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