Neste verão, os PFAS Annihilators vieram para brincar! Alojados no laboratório de Matt Thomson, um professor assistente de biologia computacional e pesquisador do Heritage Medical Research Institute, este grupo de sete estudantes locais do ensino médio assumiu um projeto ambicioso em biologia sintética: encontrar proteínas que podem ser capazes de degradar substâncias perfluoroalquil e polifluoroalquil (PFAS), os chamados produtos químicos eternos comumente usados para criar utensílios de cozinha, móveis, roupas e embalagens de alimentos resistentes à água, manchas e gordura.

PFAS são uma classe de mais de 10.000 substâncias com ligações carbono-flúor muito fortes. A força dessas ligações torna os PFAS resistentes a formas comuns de degradação ambiental. Os PFAS podem se acumular no solo, na água e no corpo humano, e são extremamente tóxicos para os humanos e o meio ambiente, mesmo em quantidades muito pequenas para serem medidas com precisão (o limite atual da Agência de Proteção Ambiental para PFOA (ácido perfluorooctanoico), por exemplo, é de quatro partes por trilhão, que é a menor quantidade detectável atualmente).

PFAS pode ser filtrado com sucesso da água, mas os produtos químicos em si permanecem. Então, como nos livramos deles?

Foi esse dilema que inspirou os PFAS Annihilators. Esses alunos se conheceram por meio de Monica Barsever, uma ex-engenheira de laser e fibra óptica que agora trabalha como especialista em STEM no Institute for Educational Advancement , uma organização sem fins lucrativos . Barsever conectou os alunos ao programa Solar Energy Activity Lab (SEAL), que é liderado por Harry Gray, o Professor de Química Arnold O. Beckman e diretor fundador do Beckman Institute. Por meio desse programa, esses alunos passaram o ano acadêmico de 2023–2024 trabalhando com alunos de pós-graduação e pós-doutorado do Caltech.

Com o incentivo de Barsever, eles formaram a equipe PFAS Annihilators durante o semestre da primavera para entrar na competição iGEM (International Genetically Engineered Machine) de 2024, um evento internacional de biologia sintética que reúne alunos do ensino médio, graduação e pós-graduação para "aplicar princípios de engenharia a sistemas biológicos, permitindo o desenvolvimento de biotecnologias que trabalham em harmonia com a natureza e enfrentam desafios globais", de acordo com o site do iGEM. Alec Lourenço, um aluno de pós-graduação em bioquímica e biofísica molecular que os orientou no programa SEAL, trabalhou com os alunos durante o verão de 2024 enquanto se preparavam para a competição iGEM.

De acordo com Lourenço, que participou da competição iGEM quando era aluno do ensino médio na La Cañada High School, o iGEM é uma oportunidade maravilhosa para os alunos "fazerem trabalhos independentes e aprenderem em primeira mão como é a pesquisa científica".

Depois que a equipe se reuniu, os alunos, junto com Barsever e Lourenço, começaram a fazer um brainstorming para decidir sobre uma ideia de projeto para sua pesquisa de verão. "Seja qual for o problema que os alunos enfrentam, eles têm que buscar uma solução baseada em biologia sintética para participar da competição iGEM", explica Lourenço, "Então, passamos por algumas iterações de problemas no mundo que podem ser resolvidos por meio da engenharia genética."

Para ajudar a enquadrar o projeto, os alunos falaram com aqueles que são diretamente afetados pelo problema do PFAS ou que serão responsáveis por implementar soluções. Camille Dahlgren, veterana da Idyllwild Arts Academy e membro da equipe PFAS Annihilators, diz que conversas com especialistas em tratamento de água levaram a equipe "a mudar todo o nosso objetivo da filtragem do PFAS para a degradação deles".

À medida que sua pesquisa de verão começou, a caçada foi para encontrar — e eventualmente projetar — enzimas que pudessem quebrar as ligações robustas de carbono-flúor encontradas em substâncias PFAS. Barsever estava no local para supervisionar o trabalho dos alunos, garantir a conformidade com a segurança e conectar os Aniquiladores PFAS com recursos adicionais.

A equipe começou seu trabalho treinando um grande modelo de linguagem na estrutura de proteínas naturais que têm alguma capacidade de degradar PFAS. Eles então pediram a esse modelo de IA para gerar novas sequências de proteínas semelhantes a essas proteínas naturais, com a esperança de que uma ou mais das proteínas projetadas por IA pudessem degradar PFAS de forma mais rápida e eficiente.

O próximo passo, tentar expressar essas proteínas, foi especialmente complicado: "Pode ser muito difícil expressar novas sequências de proteínas, criá-las em laboratório", diz Lourenço. A equipe construiu um modelo de aprendizado de máquina que pode prever se uma determinada sequência de proteínas será expressável ou não. "Em nosso laboratório e em outros laboratórios no campus, é um grande problema não saber quais sequências de proteínas serão fáceis ou difíceis de expressar", diz Lourenço. "Então, esse classificador de expressão tem o potencial de ser muito útil, mesmo fora do projeto de degradação do PFAS."

Com a ajuda de seu classificador de expressão, a equipe se propôs a expressar as proteínas mais promissoras. Uma vez expressas, os alunos analisaram as novas proteínas usando espectrometria de massa e então as enviaram para um laboratório no MIT onde o colaborador de Lourenço, Ariel Furst (PhD '15), as testou para ver o quão bem elas degradavam PFAS. A equipe chegou a três famílias principais de sequências de proteínas que são possíveis candidatas para o trabalho.

"Estou muito orgulhoso deste adorável, hilário, inteligente e trabalhador grupo de estudantes por suas incríveis conquistas neste verão", diz Barsever.

O trabalho dos PFAS Annihilators está em andamento, mas agora eles estão se preparando para o iGEM Grand Jamboree de 2024 no final de outubro em Paris. Se eles arrecadarem os fundos com sucesso, eles viajarão para Paris. Se não, eles participarão virtualmente. Além disso, em 12 de outubro, eles sediarão um encontro da equipe local do IGEM no campus do Caltech.

"Além de poder trabalhar no laboratório Thomson, me senti bem-vindo por todas as pessoas nele", diz Dahlgren. Até mesmo alunos que não eram meus mentores diretos me deram insights sobre as coisas no laboratório e estavam sempre felizes em ajudar quando tínhamos dúvidas. Alec foi nosso guia em cada estágio do projeto. A Sra. Barsever, minha antiga professora de ciências que me trouxe para o programa, garantiu que todos permanecessem no caminho certo para o projeto. Não posso agradecer a todos o suficiente por esta bela oportunidade que me permitiu aprender tanto e conhecer pessoas que me ajudarão no resto da minha jornada científica."

Muitos dos PFAS Annihilators estavam especialmente animados para experimentar a pesquisa de laboratório em primeira mão. Lucas Garcia, que frequenta a Pilgrim School em Los Angeles, diz: "Eu pude fazer o que eu sinto ser uma pesquisa significativa em uma instituição de classe mundial cercada por cientistas incrivelmente talentosos que eu adoraria ser como um dia", enquanto Jael Santos se entusiasma: "Eu tive um gostinho da pesquisa e agora eu quero a torta inteira!"