Equilibrando a Atividade Gênica e o Crescimento Celular

Mesmo quando as células são idênticas, elas podem mostrar grandes diferenças em como usam seus Genes. Essas diferenças vêm de duas razões principais: eventos aleatórios dentro das células e diferenças nos materiais que elas têm. Essa variedade pode ajudar um grupo de células a sobreviver melhor quando enfrenta mudanças repentinas no ambiente.

Na natureza, essas diferenças ajudaram grupos microbianos a prosperar. No entanto, em indústrias que produzem materiais usando células, essa diferença entre células é geralmente vista como um problema. Em grupos de células projetados para produzir moléculas específicas, há uma variação notável em quão bem as diferentes células conseguem produzir e sobreviver. Para gerenciar melhor o uso dos genes, os cientistas tentaram construir sistemas gênicos mais estáveis que funcionem de forma mais consistente. Ainda assim, como essa diversidade celular afeta os resultados da produção em bio-processos continua não muito claro.

Estudos anteriores apontam que apenas o design de um sistema gênico não explica totalmente as diferenças observadas em como os genes são utilizados. Em vez disso, pesquisas mostram que essas diferenças aumentam com o custo de ativar um gene específico. Esse custo é visto como uma queda na taxa de crescimento quando um gene é ativado. Isso é similar a quanto de energia uma célula usa para realizar certas tarefas. Mostra a importância dessa descoberta em processos que envolvem a produção celular.

Para controlar como os genes são expressos, uma ideia é adicionar a substância que ativa a atividade gênica em rajadas, em vez de forma contínua. Isso foi mostrado funcionar bem em experimentos onde a luz foi usada para ativar genes. Sugere-se que dar rajadas de luz tornava o uso do gene mais uniforme em todo o grupo celular porque as proteínas que controlam o uso dos genes também aparecem em rajadas. Em estudos anteriores, pulsar a substância para ativar genes melhorou os resultados quando o gene tinha um custo alto. O objetivo das pesquisas atuais é descobrir por que genes custosos mostram mais variação em seu uso do que genes com custo menor e propor novas maneiras de tornar o uso desses genes mais uniforme.

Neste estudo, um sistema bem conhecido para ativar genes em bactérias E. coli foi escolhido para análise. Quando esse sistema é ativado, cria um alto custo energético e mostra uma ativação instável quando os nutrientes são fornecidos continuamente.

#Entendendo a Atividade Gênica e a Taxa de Crescimento

Para investigar por que genes com altos custos são usados de maneira diferente durante o crescimento contínuo, um sistema específico de ativação gênica em E. coli foi estimulado de forma controlada para observar suas fases ativas e de relaxamento. A ativação desse sistema está ligada a uma proteína fluorescente, que permite que os cientistas meçam facilmente quanto da proteína é produzida em células individuais.

As bactérias foram cultivadas em um dispositivo de cultura especial onde um nutriente foi fornecido continuamente enquanto outro foi adicionado em rajadas. Essas rajadas ocorrem quando menos da metade das células mostra um certo nível de fluorescência que é muito maior que o fundo natural. Coletando dados sobre fluorescência ao longo do tempo, os pesquisadores criaram uma representação visual que dá uma ideia clara de como a expressão gênica muda.

Os dados coletados podem ser separados em compartimentos, permitindo que os cientistas calculem o nível de Variabilidade no uso dos genes. Usando um método da teoria da informação, os pesquisadores mediram a variabilidade em bits, onde um valor mais alto indica mais diferenças entre as células. Outra informação que pode ser obtida desses dados é como a taxa de crescimento muda em relação à atividade gênica. Isso ajuda a entender o equilíbrio entre quanta atividade gênica acontece e quão rápido as células podem crescer.

No caso do sistema gênico selecionado, ativar o gene pode levar a uma queda significativa na taxa de crescimento, conhecida como custo de mudança. Durante essa análise, os pesquisadores descobriram que a variabilidade geral na População muda ao longo do tempo, com a atividade média aumentando durante a ativação e caindo durante o relaxamento. Curiosamente, durante o relaxamento, a população tende a mostrar mais diferenças, já que as células menos ativas crescem mais rápido, levando a um grupo mais variado.

A principal descoberta é que, se todas as células reagissem de forma semelhante quando ativadas, a população poderia estar em risco de extinção. No entanto, células menos ativas ajudam o grupo a sobreviver reproduzindo-se mais rápido e compensando aquelas que estão sobrecarregadas por uma alta atividade gênica.

#Efeitos das Pulsos de Indução e Dinâmica Populacional

As primeiras descobertas destacam o ato de equilibrar entre quão rápido as células crescem e como elas expressam genes. Curiosamente, ao aplicar rajadas de ativação, as diferenças na população são temporariamente reduzidas. Os pesquisadores teorizam que, aumentando a frequência dessas Ativações, a expressão gênica na população poderia ser empurrada para um estado mais uniforme.

No entanto, seus experimentos mostraram que altas frequências de ativação não levaram aos resultados esperados e permaneceram imprevisíveis. Em vez disso, uma população intermediária inesperada surgiu que não foi eliminada, mostrando tanto menor atividade gênica quanto maior uniformidade.

Os pesquisadores descobriram que em baixas frequências de ativação, o ônus da expressão gênica afetava fortemente como a população trabalhava em conjunto. À medida que os pulsos eram aplicados com mais frequência, as diferenças entre as células diminuíam, mas eventualmente, se muitas células mostrassem alta atividade, a competição se tornava insustentável e a população corria o risco de se extinguir.

Em culturas contínuas com sequências de ativação variadas, os pesquisadores esperavam ver um padrão claro de crescimento e comportamento da expressão gênica. Mas os experimentos revelaram que, em vez de serem eliminadas, as populações se estabilizaram, levando a novos grupos de células que mostraram menos ativação, mas mais uniformidade. A análise genética revelou que o principal motor dessa mudança foi uma mutação que reduziu a força do promotor gênico, levando a uma atividade geral menor, mas ajudando a população a equilibrar.

#Reduzindo Custos de Troca e Melhorando a Estabilidade

Os esforços iniciais para aumentar a expressão gênica levaram a mudanças não intencionais que diminuíram os níveis de produção nas populações. No entanto, esse resultado revelou uma maneira alternativa de manter uma população mais uniforme, diminuindo a penalização de crescimento ligada à ativação gênica.

Para alcançar essa uniformidade sem comprometer a potência gênica, os pesquisadores buscaram minimizar a competição entre células com diferentes níveis de ativação gênica sem reduzir a força geral da expressão gênica. Uma estratégia considerada foi reduzir a taxa máxima de crescimento alcançável das células.

Os pesquisadores testaram várias fontes de carbono para encontrar opções que desacelerassem o crescimento sem causar efeitos negativos na produtividade geral. Duas fontes, arabinose e xilose, mostraram potencial, reduzindo efetivamente as Taxas de Crescimento enquanto mantinham níveis suficientes para uma cultura contínua.

Quando essas novas fontes foram usadas, os cientistas observaram que as características da população mudaram, tornando-se mais uniformes e expressivas. Os resultados indicaram que taxas de crescimento mais baixas poderiam promover consistência na expressão gênica, levando a melhores resultados de produção.

#Conclusão

No geral, a interação entre quão rápido as células crescem e como expressam seus genes é crucial para moldar o comportamento celular. A complexidade dessa relação, especialmente em termos de diferenças populacionais, foi ilustrada ao longo desta pesquisa.

As descobertas destacam um mecanismo chamado compensação de carga-entropia, que desempenha um papel vital em manter populações estáveis quando genes custosos estão ativos. A perda de crescimento pode desencadear um aumento na variabilidade, levando algumas células a ativar genes menos e, assim, reduzir o ônus geral no grupo.

Para abordar os desafios impostos pela alta variabilidade e baixa produção, os pesquisadores exploraram diferentes estratégias para gerenciar a expressão gênica de forma mais eficaz. Constatou-se que reduzir os custos de troca através da seleção cuidadosa das condições de crescimento pode criar uma população mais produtiva e estável.

Essa pesquisa sugere a necessidade de repensar as estratégias tradicionais no design de bio-processos. Em vez de apenas pressionar as células a maximizar seu desempenho, permitir uma interação equilibrada entre o crescimento celular e a ativação gênica poderia levar a métodos inovadores para desenvolver tecnologias de bio-produção robustas.