O presente mais importante dado por nossos pais
foram os 2 conjuntos de 3 bilhões de letras do DNA
que compõem nosso genoma.
Mas, como qualquer coisa com 3 bilhões de componentes,
esse presente é frágil.
Luz solar, tabagismo, alimentação não saudável,
até mesmo erros espontâneos das células,
tudo provoca mudanças em nosso genoma.
O tipo mais comum de mudança no DNA
é a troca simples de uma letra, ou base, como C,
por uma letra diferente, como T, G ou A.
Um dia, as células do corpo juntas acumularão
bilhões dessas trocas de uma única letra também chamadas "mutações pontuais".
A maioria dessas mutações é inofensiva.
Mas, de vez em quando,
uma mutação pontual interrompe uma capacidade importante de uma célula
ou faz com que ela se comporte de maneira prejudicial.
Se essa mutação fosse herdada de seus pais,
ou ocorresse cedo o bastante em seu desenvolvimento,
como resultado, muitas ou todas as células
conteriam essa mutação prejudicial.
Então, você seria uma de centenas de milhões de pessoas
com uma doença genética,
como anemia falciforme, progéria,
distrofia muscular ou doença de Tay-Sachs.
Doenças genéticas graves causadas por mutações pontuais
são particularmente frustrantes,
porque, muitas vezes, conhecemos a exata alteração da letra
que causa a doença e, em teoria, poderia curá-la.
Milhões sofrem de anemia falciforme
porque têm mutações pontuais únicas de A a T
em ambas as cópias do gene da hemoglobina.
E crianças com progéria nascem com um T
em uma posição única no genoma
onde deveriam ter um C,
com a consequência devastadora de que essas crianças maravilhosas e brilhantes
envelhecem muito rapidamente e morrem por volta dos 14 anos de idade.
Em toda a história da medicina,
não temos tido uma maneira eficaz de corrigir mutações pontuais
em sistemas vivos,
para reverter o T causador de doenças para um C.
Talvez até agora.
Porque meu laboratório recentemente conseguiu desenvolver essa capacidade,
que chamamos de "edição de base".
A história de como a desenvolvemos começa, na verdade, há 3 bilhões de anos.
Pensamos em bactérias como fontes de infecção,
mas elas mesmas também são propensas a serem infectadas,
em particular, por vírus.
Há cerca de 3 bilhões de anos,
as bactérias desenvolveram um mecanismo de defesa para combater a infecção viral.
Esse mecanismo é agora mais conhecido como CRISPR.
E a ogiva no CRISPR é esta proteína roxa
que age como uma tesoura molecular para cortar o DNA,
quebrando a hélice dupla em duas partes.
Se o CRISPR não conseguisse distinguir entre DNA bacteriano e viral,
não seria um sistema de defesa muito útil.
Mas a característica mais incrível do CRISPR
é que a tesoura pode ser programada para procurar,
ligar e cortar
apenas uma sequência específica de DNA.
Quando uma bactéria encontra um vírus pela primeira vez,
ela pode armazenar um pequeno trecho do DNA desse vírus
para ser usado como um programa para direcionar a tesoura CRISPR
e cortar essa sequência de DNA viral durante uma infecção futura.
Cortar o DNA de um vírus atrapalha a função do gene viral cortado
e, portanto, interrompe o ciclo de vida do vírus.
Pesquisadores extraordinários, inclusive Emmanuelle Charpentier, George Church,
Jennifer Doudna e Feng Zhang
mostraram, há seis anos, como a tesoura CRISPR poderia ser programada
para cortar sequências de DNA de nossa escolha,
inclusive sequências em nosso genoma,
em vez das sequências de DNA viral escolhidas pelas bactérias.
Mas os resultados são, na verdade, semelhantes.
Cortar uma sequência de DNA em nosso genoma
também interrompe geralmente a função do gene cortado,
causando a inclusão e a exclusão de misturas aleatórias de letras de DNA
no local de corte.
A interrupção de genes pode ser muito útil para algumas aplicações.
Mas, para a maioria das mutações pontuais que causam doenças genéticas,
cortar simplesmente o gene que já sofreu mutação não beneficiará os pacientes,
porque a função desse gene precisa ser restaurada,
não interrompida ainda mais.
Portanto, cortar esse gene da hemoglobina que já sofreu mutação
que causa a anemia falciforme
não restaurará a capacidade dos pacientes de produzir hemácias saudáveis.
Embora, às vezes, possamos introduzir novas sequências de DNA nas células
para substituir as sequências de DNA em torno de um local de corte,
esse processo, infelizmente, não funciona na maioria dos tipos de células,
e os resultados dos genes interrompidos ainda predominam.
Como muitos cientistas, sonhei com um futuro
em que poderíamos tratar ou até mesmo curar
doenças genéticas humanas,
mas vi a falta de uma maneira de corrigir as mutações pontuais,
que causam a maioria das doenças genéticas humanas,
como um grande problema a ser superado.
Como sou químico, comecei a trabalhar com meus alunos
para desenvolver modos de realizar química diretamente em uma base de DNA individual
e realmente corrigir, em vez de interromper,
as mutações que causam doenças genéticas.
Os resultados de nosso esforço são máquinas moleculares
chamadas "editores de base".
Esses editores usam o mecanismo de busca programável da tesoura CRISPR,
mas, em vez de cortar o DNA,
convertem diretamente uma base em outra sem desestabilizar o restante do gene.
Se pensarmos em proteínas CRISPR existindo naturalmente como tesouras moleculares,
podemos pensar em editores de base como lápis,
capazes de reescrever diretamente uma letra de DNA em outra,
reorganizando os átomos de uma base de DNA
para, em vez disso, se tornar uma base diferente.
Editores de base não existem na natureza.
Na verdade, projetamos o primeiro editor de base, mostrado aqui,
a partir de três proteínas separadas que nem sequer vêm do mesmo organismo.
Começamos pegando tesouras CRISPR e desativando a capacidade de cortar DNA,
mas mantendo sua capacidade de procurar e ligar uma sequência de DNA alvo
de uma maneira programada.
A essas tesouras CRISPR alteradas, mostradas em azul,
anexamos uma segunda proteína em vermelho,
que realiza uma reação química na base C do DNA,
convertendo-a em uma base que se comporta como T.
Terceiro, tivemos que anexar às duas primeiras proteínas
a proteína mostrada em roxo,
que evita que a base editada seja removida pela célula.
O resultado final é uma proteína projetada de três partes
que, pela primeira vez, nos permite converter Cs em Ts
em locais especificados no genoma.
Mas, mesmo nesse ponto, nosso trabalho estava apenas na metade,
porque, para ser estável nas células,
os dois filamentos de uma dupla hélice de DNA têm que formar pares de bases.
Como C faz par apenas com G,
e T só faz par com A,
a simples mudança de um C para um T, num filamento de DNA,
cria uma incompatibilidade,
um desacordo entre os dois filamentos de DNA
que a célula tem que resolver decidindo qual filamento substituir.
Percebemos que poderíamos, além disso, projetar essa proteína de três partes
para sinalizar o filamento não editado como o que seria substituído
pelo corte desse filamento.
Esse pequeno corte engana a célula
para substituir o G não editado por um A,
uma vez que recria o filamento cortado,
completando assim a conversão do que costumava ser um par de bases C-G
em um par de bases T-A estável.
Após vários anos de trabalho árduo
liderado por uma das pós-doutorandas do laboratório, Alexis Komor,
conseguimos desenvolver essa primeira classe de editor de base,
que converte Cs em Ts, e Gs em As,
em posições específicas de nossa escolha.
Entre as mais de 35 mil mutações pontuais conhecidas associadas a doenças,
os dois tipos de mutações que esse primeiro editor de base pode reverter
são juntos responsáveis por cerca de 14%
ou 5 mil ou mais mutações pontuais patogênicas.
Mas a correção da maior fração de mutações pontuais causadoras de doenças
exigiria o desenvolvimento de uma segunda classe de editor de base,
uma que pudesse converter As em Gs, ou Ts em Cs.
Liderados por Nicole Gaudelli, outra pós-doutoranda do laboratório,
começamos a desenvolver essa segunda classe de editor de base,
que, em teoria, poderia corrigir
até quase a metade das mutações pontuais patogênicas,
inclusive a mutação que causa progéria, a doença do envelhecimento rápido.
Percebemos que poderíamos pegar emprestado, mais uma vez,
o mecanismo de direcionamento da tesoura CRISPR
para trazer o novo editor de base para o local certo em um genoma.
Mas rapidamente encontramos um problema incrível:
não há uma proteína conhecida que converta A em G, ou T em C, no DNA.
Diante de um obstáculo tão sério,
a maioria dos alunos talvez procuraria outro projeto,
se não outro orientador de pesquisa.
(Risos)
Mas Nicole concordou em prosseguir com um plano
que parecia muito ambicioso na época.
Dada a ausência de uma proteína natural que realiza a química necessária,
decidimos desenvolver nossa própria proteína em laboratório
para converter A em uma base que se comporta como G,
a partir de uma proteína que realiza uma química parecida sobre o RNA.
Montamos um sistema de seleção de Darwin, de sobrevivência do mais apto,
que explorou dezenas de milhões de variantes de proteínas
e permitiu apenas aquelas variantes raras
que poderiam realizar a química necessária para sobreviver.
Acabamos com uma proteína mostrada aqui,
a primeira que pode converter A do DNA,
em uma base que se parece com G.
Quando anexamos essa proteína à tesoura CRISPR desativada, mostrada em azul,
produzimos o segundo editor de base,
que converte As em Gs
e, em seguida, utiliza a mesma estratégia de corte de filamento
que usamos no primeiro editor de base
para enganar a célula na substituição do T não editado por um C,
conforme recria o filamento cortado,
completando assim a conversão de um par de bases A-T em um par de bases G-C.
(Aplausos)
Obrigado.
(Aplausos)
Como cientista acadêmico nos EUA,
não estou acostumado a ser interrompido por aplausos.
(Risos)
Desenvolvemos essas duas primeiras classes de editores de base
há apenas três anos e há um ano e meio.
Mas, mesmo nesse breve período,
a edição de base tornou-se amplamente usada
pela comunidade de pesquisa biomédica.
Editores de base foram enviados mais de 6 mil vezes
a pedido de mais de mil pesquisadores em todo o mundo.
Cem trabalhos de pesquisa científica já foram publicados,
usando editores de base em organismos que variam de bactérias
a plantas, ratos e primatas.
Embora os editores sejam muito novos
para já terem entrado em ensaios clínicos com seres humanos,
cientistas conseguiram alcançar um marco decisivo rumo a esse objetivo
usando editores de base em animais
para corrigir mutações pontuais que causam doenças genéticas humanas.
Por exemplo,
uma equipe colaborativa de cientistas liderada por Luke Koblan e Jon Levy,
dois dos alunos do meu laboratório,
usaram recentemente um vírus para distribuir o segundo editor de base
em um camundongo com progéria,
mudando de volta o T causador de doença para um C
e revertendo suas consequências nos níveis de DNA, RNA e proteína.
Editores de base também têm sido usados em animais
para reverter as consequências de tirosinemia,
beta-talassemia,
distrofia muscular,
fenilcetonúria,
uma surdez congênita
e um tipo de doença cardiovascular,
em cada caso, pela correção direta de uma mutação pontual
que causa a doença ou contribui para ela.
Nas plantas, editores de base têm sido usados
para introduzir mudanças individuais de uma única letra de DNA
que podem levar a melhores colheitas.
Os biólogos têm usado editores de base
para investigar o papel de letras individuais
em genes associados a doenças como o câncer.
Duas empresas que cofundei, a Beam Therapeutics e a Pairwise Plants,
estão usando edição de base para tratar doenças genéticas humanas
e aperfeiçoar a agricultura.
Todas essas aplicações de edição de base ocorreram em menos de três anos,
o que, na escala de tempo histórica da ciência,
seria um piscar de olhos.
Há mais trabalho pela frente
antes que a edição de base possa concretizar todo o seu potencial
para melhorar a vida de pacientes com doenças genéticas.
Embora muitas dessas doenças sejam consideradas tratáveis
pela correção da mutação subjacente,
mesmo em uma fração modesta de células de um órgão,
a distribuição de máquinas moleculares como editores de base
em células de um ser humano pode ser desafiadora.
A escolha de vírus da natureza para distribuir editores de base,
em vez das moléculas que causam um resfriado,
é uma das várias estratégias promissoras de distribuição
que tem sido usada com sucesso.
Continuar a desenvolver novas máquinas moleculares
que possam tornar todos os modos restantes de converter um par de bases em outro
e minimizar a edição indesejada em locais fora do alvo nas células
é muito importante.
E envolver-se com outros cientistas, médicos, eticistas e governos,
para maximizar a probabilidade de que a edição de base seja aplicada
de modo ponderado, seguro e ético,
continua sendo uma obrigação muito importante.
Apesar desses desafios,
se alguém me tivesse dito, há apenas cinco anos,
que pesquisadores ao redor do mundo
usariam máquinas moleculares desenvolvidas em laboratório
para converter diretamente um par de bases individual em outro par
em um local específico do genoma humano,
de forma eficaz e com um mínimo de outros resultados,
eu teria perguntado:
"Que romance de ficção científica você está lendo?"
Graças a um grupo de alunos continuamente dedicados,
criativos o suficiente para construir o que nós mesmos poderíamos projetar
e corajosos o bastante para desenvolver o que não conseguíssemos,
a edição de base começou a transformar essa aspiração de ficção científica
em uma nova realidade empolgante,
na qual o presente mais importante que damos aos nossos filhos
não são apenas 3 bilhões de letras de DNA,
mas também os meios para protegê-las e repará-las.
Obrigado.
(Aplausos)