Craig Venter sobre DNA e o mar

No intervalo, várias pessoas me perguntaram sobre meus comentários quanto ao debate do envelhecimento. E este será meu único comentário sobre isso. E que é, eu sei que otimistas vivem muito mais que pessimistas. (Risos) que otimistas vivem muito mais que pessimistas. (Risos)

O que eu falarei a vocês nos próximos 18 minutos é como estamos perto de mudar da leitura do código genético para os primeiros estágios da escrita do código por nós mesmos. Faz apenas 10 anos nesse mês que nós publicamos a primeira sequência de um organismo vivo livre, do Haemophilus influenzae. Isso reduziu um projeto genoma de 13 anos para 4 meses. Agora nós podemos fazer esse mesmo projeto genoma na ordem de duas a oito horas. Assim, na última década, um grande número de genomas foram adicionados: a maioria dos patógenos humanos, algumas plantas, vários insetos e vários mamíferos, incluindo o genoma humano. A genômica nesse estágio de pensamento há um pouco mais de 10 anos previa que para o fim desse ano, nós poderíamos ter entre três a cinco genomas sequenciados; Agora está na ordem de várias centenas. Nós acabamos de receber um subsídio da Fundação Gordon and Betty Moore para sequenciar 130 genomas esse ano, como um projeto paralelo de organismos ambientais. Assim, a taxa de leitura do código genético mudou.

Mas ao vermos, o que há lá fora, nós mal tocamos na superfície do que há disponível nesse planeta. A maioria das pessoas não percebem, porque eles são invisíveis, mas micróbios compõem cerca da metade da biomassa da Terra, enquanto todos os animais compõem apenas cerca de um milionésimo de toda biomassa. E talvez isso é algo que as pessoas em Oxford não fazem com muita frequência, mas se você for ao mar, e engolir um pouco de água marinha, tenha em mente que cada mililitro tem cerca de um milhão de bactérias e na ordem de 10 milhões de vírus.

Menos de 5.000 espécies de micróbios foram caracterizadas nos últimos dois anos, e então decidimos fazer algo a respeito. E nós iniciamos a Expedição Sorcerer II, onde nós estivemos, como grandes expedições oceanográficas, tentando amostrar o oceano a cada 200 milhas. Nós começamos nas Bermudas para nosso projeto teste. Daí nos mudamos para Halifax, trabalhando na Costa Leste dos E.U.A., no Mar do Caribe, no Canal do Panamá, para Galápagos, daí atravessando o Pacífico, e estamos no processo agora de fazer nosso caminho através do Oceano Índico. É um trabalho muito difícil, nós estamos fazendo isso num veleiro, em parte para ajudar a estimular os jovens a participar da ciência. Os experimentos são incrivelmente simples. Nós apenas coletamos água marinha e a filtramos, e coletamos organismos de diferentes tamanhos em filtros diferentes. E então coletamos seu DNA de volta a nosso laboratório em Rockville, onde podemos sequenciar uma centena de milhões de letras do código genético a cada 24 horas. E ao fazer isso, nós fizemos descobertas incríveis.

Por exemplo, era considerado que os pigmentos visuais que estão em nossos olhos existiriam em apenas um ou dois organismos nesse ambiente. Na verdade, quase todas as espécies nas camadas superficiais do oceano em regiões quentes do mundo têm esses mesmos fotorreceptores, e usam a luz solar como fonte de sua energia e comunicação. Em um local, de um barril de água marinha, nós descobrimos 1,3 milhão de novos genes e cerca de 50.000 novas espécies.

Nós ampliamos isso para o ar agora com um subsídio da Fundação Sloan. Estamos medindo quantos vírus e bactérias todos nós estamos respirando todo dia, especialmente nos aviões ou auditórios fechados. (Risos) Nós filtramos por meio de aparatos simples; coletamos na ordem de um bilhão de micróbios em apenas um dia no topo de um edifício na cidade de Nova Iorque. E estamos no processo de sequenciar tudo isso no presente momento.

Apenas no lado de coleta de dados, enquanto passamos por Galápagos, estamos descobrindo que em quase cada 200 milhas, observamos uma tremenda diversidade nas amostras no oceano. Algumas delas fazem sentido, em termos de diferentes gradientes de temperatura. Essa é uma fotografia de satélite baseada em temperaturas -- vermelho é quente, azul é frio -- e vimos que há uma tremenda diferença entre as amostras da água quente e da água fria, em termos de espécies abundantes. A outra coisa que nos supreendeu bastante é esses fotorreceptores detectarem diferentes comprimentos de onda de luz, e nós podemos prever isso baseado na sequência de aminoácidos deles. E eles variam bastante de região para região. Talvez não tão supreendente, no fundo do oceano, onde é praticamente azul, os fotorreceptores tendem a ver luz azul. Quando há um monte de clorofila ao redor, eles vêem muita luz verde. Mas eles variam ainda mais, possivelmente se movendo para infravermelho e ultravioleta nos extremos.

Apenas para tentar conseguir um indicativo do que era nosso repertório de genes, nós reunimos todos os dados -- incluindo os nossos dados distantes da expedição, que representa mais do que a metade de todos os dados genéticos no planeta -- e isso totalizou cerca de 29 milhões de genes. E tentamos colocá-los em famílias de genes para ver o que eram essas descobertas: Nós estamos descobrindo novos membros de famílias conhecidas, ou estamos descobrindo novas famílias? E parece que nós temos cerca de 50.000 famílias principais de genes, mas cada nova amostra que coletamos no meio soma-se de forma linear a essas novas famílias. Então estamos nos estágios iniciais da descoberta sobre genes básicos, componentes e vida nesse planeta.

Quando vemos a chamada árvore evolucionária, estamos no canto superior direito com os animais. Desses quase 29 milhões de genes, nós temos apenas cerca de 24.000 em nosso genoma. E se você considerar todos os animais juntos, nós provavelmente compartilhamos menos que 30.000 e provavelmente talvez uma dúzia ou mais de milhares de familias de genes diferentes. Eu vejo que esses genes são agora não apenas componentes do design da evolução. E pensamos numa visao gene-cêntrica -- talvez retornando às idéias de Richard Dawkins -- ao invés de uma visão genoma-cêntrica, que são diferentes construtos desses componentes do gene.

DNA sintético, a habilidade de sintetizar DNA, mudou mais ou menos no mesmo ritmo que o sequenciamento de DNA nos últimos dez ou vinte anos, e está se tornando muito rápida e muito barata. Nosso primeiro pensamento sobre genoma sintético veio quando sequenciamos o segundo genoma em 1995, e isso veio do Mycoplasma genitalium. E nós temos camisetas legais que dizem, vocês sabem, "Eu amo meu genitalium". Isso é na verdade apenas um microoganismo. Mas que tem quase 500 genes. Haemophilus tinha 1.800 genes. E nós perguntamos simplesmente a questão, se uma espécie precisa de 800, outra de 500, há um conjunto menor de genes que possa constituir um sistema operacional mínimo?

Então começamos fazendo mutagênese com transposons. Transposons são apenas pequenos pedaços de DNA que se inserem randomicamente no código genético. E se eles se inserem no meio do gene, interrompem sua função. Então nós fizemos um mapa de todos os genes que pudessem suportar inserções de transposons e nós o chamamos de "genes não essenciais". Mas acontece que o meio é muito crítico para isso, e você pode apenas definir um gene essencial ou não essencial baseado exatamente no que há no meio. Nós também tentamos tomar um rumo mais intelectual e direto com os genomas de 13 organismos relacionados, e tentamos comparar todos eles, para ver o que eles têm em comum. E obtemos esses círculos sobrepostos. E encontramos apenas 173 genes comuns a todos os 13 organismos. A amostra expandia um pouco se ignorássemos um parasita intracelular; e se expandiu ainda mais quando observamos os conjuntos centrais de genes de 310 ou mais. Então nós achamos que podemos expandir ou contrair genomas, dependendo do seu ponto de vista aqui, para talvez 300 a 400 genes de um mínimo de 500.

A única maneira de provar essas idéias seria construir um cromossomo artificial com esses genes nele, e nós tivemos de fazer isso de uma forma baseada em fita. Nós descobrimos que sintetizar DNAs precisos em grandes fragmentos era extremamente difícil. Ham Smith e Clyde Hutchison, meus colegas nisso, desenvolveram um novo método emocionante que nos permitiu sintetizar um vírus com 5.000 pares de base num período de apenas duas semanas que era 100 por cento preciso, em termos de sua sequência e sua biologia. Foi um experimento muito emocionante -- quando nós só pegamos o pedaço de DNA sintético, o injetamos na bactéria e de repente, aquele DNA começou a regular a produção de partículas virais que se voltaram e mataram a bactéria. Esse não foi o primeiro vírus sintético -- um vírus de pólio foi produzido um ano antes -- mas era apenas um décimo-milionésimo ativo e levou três anos para fazer. Isso é um desenho da estrutura do Phi X-174. Esse é um caso onde o software agora constrói seu próprio hardware, e essa é a noção que temos com a biologia.

As pessoas imediatamente levantam preocupações sobre armamento biológico, e eu fiz um testemunho recente diante uma comissão do Senado, e uma comissão especial do governo dos E.U.A. foi criada para revisar essa área. E eu penso que é importante ter a realidade em mente, contra o que acontece nas imaginações das pessoas. Basicamente, qualquer vírus que tenha sido sequenciado hoje -- seu genoma pode ser produzido. E as pessoas começaram a pirar imediatamente sobre coisas como Ebola ou sarampo, mas o DNA desse organismo não é infeccioso. Então mesmo que alguém produzisse o genoma do sarampo, o DNA por si mesmo não causaria infecções. A verdadeira preocupação que departamentos de segurança têm é com o projetista de vírus. E há apenas dois países, os EUA e a antiga União Soviética, que fizeram grandes esforços para tentar criar agentes de armamento biológico. Se essa pesquisa está realmente suspensa, deve haver muito pouca atividade no conhecimento processual para produzir vírus no futuro.

Eu creio que organismos unicelulares serão possíveis dentro de dois anos. E possivelmente células eucarióticas, essas que nós possuímos, serão possíveis dentro de uma década. Então nós estamos agora produzindo vários construtos diferentes, porque nós podemos variar as fitas e os genes que vão dentro desse cromossomo artificial. A chave é, como você coloca todos os outros? Nós começamos com esses fragmentos, e então temos um sistema de recombinação homóloga que os reorganiza dentro de um cromossomo.

Isso é derivado de um organismo, Deinococcus radiodurans, que pode suportar três milhões rads de radiação e não ser morto. Ele reorganiza seu genoma após a rajada de radiação em cerca de 12 a 24 horas, após seus cromossomos serem literalmente destroçados. Esse organismo é único no planeta, e existe talvez agora no espaço sideral devido a todas nossa viagens lá. Isso é um béquer de vidro após cerca de meio milhão rads de radiação. O vidro começou a queimar e quebrar, enquanto os micróbios que estavam no fundo só ficavam mais e mais felizes. Aqui há uma imagem real do que acontece: no topo disso mostra o genoma após 1,7 milhão rads de radiação. O cromossomo é literalmente destroçado. E aqui é o mesmo DNA automaticamente rearranjado 24 horas depois. É realmente impressionante que esses organismos possam fazer isso, e nós provavelmente temos milhares, senão dezenas de milhares de espécies diferentes nesse planeta que são capazes de fazer isso. Depois que esses genomas são sintetizados, o primeiro passo é apenas transplantá-los dentro de uma célula sem genoma.

Então nós achamos que células sintéticas terão um potencial tremendo, não só para compreensão das bases da biologia mas quem sabe para problemas ambientais e sociais. Por exemplo, a partir do terceiro organismo que sequenciamos, Methanococcus jannaschii: ele vive em temperaturas de água fervente, sua fonte de energia é o hidrogênio e todo seu carbono provém do CO2 que ele captura do meio. Então nós conhecemos muitas vias diferentes, milhares de diferentes organismos agora que vivem de CO2, e podem capturá-lo de volta. Então ao invés de usar carbono de petróleo para processos sintéticos, nós temos a oportunidade de usar carbono e capturá-lo de volta da atmosfera, convertendo-o em biopolímeos ou outros produtos. Nós temos um organismo que vive de monóxido de carbono, e nós o usamos como uma fonte oxi-redutora para separar água e produzir hidrogênio e oxigênio. Ainda, há vias numerosas que podem ser engendradas metabolizando metano. E a DuPont tem um programa especial com a Statoil na Noruega para capturar e converter o metano dos bolsões de gás de lá em produtos úteis.

Em pouco tempo, eu acho que haverá um novo campo chamado Genômica Combinatória, porque com essas novas capacidades de síntese, esses vastos repertórios de arranjos de genes e a recombinação homóloga, nós achamos que podemos construir um robô para produzir talvez um milhão de diferentes cromossomos por dia. E então, como em toda biologia, você obtém seleção por amostragem, se você estiver amostrando por produção de hidrogênio, ou produção química, ou apenas viabilidade. Compreender o papel desses genes estará bem dentro do alcance.

Nós estamos tentando modificar a fotossíntese para produzir hidrogênio diretamente da luz solar. A fotossíntese é modulada pelo oxigênio, e nós temos uma hidrogenase insensível a oxigênio que achamos que irá mudar totalmente esse processo. Nós também estamos combinando celulases, as enzimas que quebram açúcares complexos em açúcares simples e fermentação na mesma célula para produzir etanol. A produção farmacêutica já está ocorrendo em grandes laboratórios utilizando micróbios. A química a partir de compostos no meio é ordens de magnitude mais complexa que nossos melhores químicos podem produzir. Eu acho que futuras espécies projetadas poderiam ser fonte de alimento, quem sabe uma fonte de energia, remediação ambiental e talvez substituir a indústria petroquímica.

Deixem-me apenas terminar com estudos éticos e políticos. Nós adiamos o início de nossos experimentos em 1999 até nós completarmos um ano e meio de revisão bioética sobre se nós devíamos tentar fazer uma espécie artificial. Cada religião importante participou nisso. Isso foi um estudo muito estranho na verdade, porque os vários líderes religiosos estavam usando suas escrituras como códigos de leis, e não puderam encontrar nada neles que proibissem fazer vida, então isso deve ser tolerado. As únicas preocupações finais eram os aspectos de armamento biológico disso, mas nos deram o aval para começar esses experimentos pelas razões que nós estamos fazendo.

Agora mesmo a Fundação Sloan acabou de financiar um estudo multi-institucional sobre isso para levantar quais são os riscos e benefícios para a sociedade, e as regras que equipes científicas tais como a minha devem seguir nessa área, e nós estamos tentando mostrar bons exemplos enquanto trabalhamos. Esses são problemas complexos. Exceto pela ameaça de bio-terrorismo, eles são problemas muito simples em termos de, nós podermos projetar coisas para produzir energia limpa, talvez revolucionizar o que países em desenvolvimento podem fazer e fornecer através de vários processos simples. Muito obrigado.