Biologia sintética

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A biologia sintética procura entender a célula como um circuito eletrônico.[1]

A expressão biologia sintética tem sido utilizada para descrever uma abordagem da biologia que tenta integrar diferentes áreas similares de pesquisa. Mais recentemente, o termo tem sido utilizado de uma forma diferente, assinalando uma nova área de pesquisa que combina biologia e engenharia para projetar e construir novas funções e sistemas biológicos. Aquele primeiro objetivo está cada vez mais sendo associado com a área de biologia sistêmica.

A biologia sintética tem sido estudada para aplicações em design artificial e engenharia de sistemas biológicos e organismos vivos com propósito de realizar novas tarefas a fim de ser aplicado em indústria, na pesquisa biológica, entre outros, em outras palavras, visa o desenho, construção e caracterização de novos circuitos regulatórios através da utilização de partes biológicas e de modelos computacionais com o objetivo de redesenhar microrganismos para aplicações biotecnológicas.[2]

A descoberta da logica matemática na regulação gênica e as conquistas na engenharia genética, como a tecnologia do DNA recombinante na década de 70, criaram o caminho para a biologia sintética atual. A biologia sintética estende o objetivo da engenharia genética pois ela almeja redes de regulação gênica e entender o organismo como um todo. O objetivo da biologia sintética é estender ou modificar comportamento dos organismos e engenheira-los para novos propósitos, entendendo a célula como um circuito eletrônico.[1]

Histórico[editar | editar código-fonte]

O primeiro uso do termo "biologia sintética" foi com a publicação do artigo Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées(1910)[3] e em 1912 em  La Biologie Synthétique.[4]

Em 1978 o Nobel de Medicina foi concedido a Werner Arber, Daniel Nathans e Hamilton O. Smith[5] pela descoberta da enzima de restrição e sua aplicação aos problemas de genética molecular. Em um comentário editorial no jornal Gene, Wacław Szybalski escreveu: "O trabalho em nucleases de restrição não somente permite-nos construir facilmente moléculas de ADN recombinante e analisar genes individuais, mas também nos leva para a nova era da biologia sintética, onde não somente genes existentes são descritos e analisados, mas também novos arranjos de genes podem ser construídos e avaliados" [6].

Um notável avanço na área ocorreu nos anos 2000 com a publicação de dois artigos na Nature por Michael B. Elowitz e Stanislas Leibler discutindo a criação circuitos biológicos sintéticos em E. coli. [7][8]

Criação da célula artificial[editar | editar código-fonte]

Em 2010, o J. Craig Venter Institute anunciou a criação de uma célula bacteriana controlada por um genoma completamente artificial, num artigo científico da revista Science de 20 de Maio de 2010.[9]

Após 15 anos de investigação, Craig Venter e a sua equipa anunciaram ter conseguido produzir em laboratório as unidades básicas do ADN de uma bactéria (Mycoplasma mycoides) e introduzir esse material sintético numa outra célula receptora de espécie diferente (Mycoplasma capricolum), que conseguiu reproduzir-se da forma mais natural.[10][11] O genoma sintetizado continha várias marcas d'água incluídas no código para certificar que o genoma obtido não era natural. As marcas de água incluíam os nomes dos autores principais do projecto, um endereço de website que permite contactar o Instituto, e três citações.[12]

Criação do vírus artificial[editar | editar código-fonte]

Em 2010, os cientistas das universidades federais Pernambuco e Rio de Janeiro[13] criaram em laboratório um vírus artificial de HIV, o que pode possibilitar o desenvolvimento de uma nova vacina terapêutica para pacientes portadores de AIDS.[14]

O resultado foi gerado por um estudo que começou a ser feito em 2002 para a criação de uma vacina terapêutica contra o vírus HIV e que substitui os métodos tradicionais que utilizam o vírus retirado do próprio paciente soropositivo, o que envolve até dez coletas e é um processo mais demorado e oneroso.[15][16]

Método e resultados[editar | editar código-fonte]

O desenvolvimento do protótipo aconteceu duas semanas antes do início da criação do vírus artificial. O procedimento teve apoio financeiro do Centers for Disease Control and Prevention de Atlanta, equivalente, nos EUA, à Fiocruz. Foram empregados US$ 500 mil na compra de reagentes e pagamento de bolsas nos últimos 12 meses.[13]

Os cientistas usaram uma técnica de clonagem que permite cortar e colar os pedaços de DNA, colocando-os dentro de um vetor DNA chamado plasmídeo, até construir um genoma completo do HIV inativado.[15][16]

A partir do experimento, foi produzida uma vacina, cujo efeito em metade de 18 pacientes foi a redução da carga viral a quase zero.[15][16]

Outros testes devem ser feitos com um grupo de mil pacientes. Os pesquisadores garantem que a medicação deve chegar à população em cerca de cinco anos.[15]

A segunda fase, em desenvolvimento, tem duração prevista de três anos e pretende alcançar 100% de eficácia. Os testes com a vacina são feitos no Laboratório de Imunopatologia Keiso Asami (Lika) da UFPE em parceria com a o Laboratório LIM-56 USP.[13]

O primeiro protótipo de vírus recombinante tem sido testado em células dendríticas para avaliar o perfil de expressão das células e, posteriormente, a estimulação com o vírus.[13]

Perspectivas[editar | editar código-fonte]

Engenharia[editar | editar código-fonte]

Os engenheiros enxergam a biologia como uma nova tecnologia - Biotecnologia. A biologia sintética abrange uma redefinição e expansão da biotecnologia. Com o propósito de ser capaz de projetar e construir sistemas biológicos que processam informações, manipulam produtos químicos, fabricam materiais, produzam energia e alimento, e mantpem a saúde humana e cuida do ambiente.[17]

Estudos em biologia sintética podem ser subdivididos em classificações gerais de acordo com a abordagem: padronização de partes biológicas, engenharia biomolecular, engenharia de genoma. Engenharia Biomolecular inclui abordagens que visam criar um kit de ferramentas de unidades funcionais que podem ser introduzidas para apresentar novas funções tecnológicas em células vivas. Biomolecular refere-se à idéia geral do projeto de novo e aditivo combinação de componentes biomoleculares. Cada uma dessas abordagens compartilham uma tarefa semelhante: desenvolver uma entidade mais sintética a um nível mais elevado de complexidade, manipulando intensivamente uma parte mais simples ao nível anterior. A engenharia de genomas inclui abordagens para construir cromossomos sintéticos.

Re-escrita[editar | editar código-fonte]

Os re-escritores são biólogos sintéticos que almejam testar a irredutibilidade dos sistemas biológicos. Devido a complexidade dos sistemas biológicos naturais, seria mais simples montar um sistema biológico de interesse a partir do zero, afim de prover produtos de mais fácil compreensão e manipulação[18].

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Vida Artificial[editar | editar código-fonte]

Genoma construído com apenas 473 genes pela equipe de Craig Venter, chamado de Syn 3 .[19]

Um tema importante na biologia sintética é vida sintética, isto é, a vida artificial criada in vitro a partir de biomoléculas e seus materiais componentes. Experiências de vida sintéticas tentam investigar as origens da vida, estudar algumas das propriedades de vida, ou de forma mais ambiciosa para recriar a vida a partir de componentes não-vivos (abióticos). A biologia sintética tenta criar novas moléculas biológicas e até mesmo novas espécies de vida capazes de realizar uma série de importantes funções médicas e industriais, desde a fabricação farmacêutica para desintoxicar terra poluída e água. Em medicina, oferece perspectivas de usar essa tecnologia como ponto de partida para uma classe totalmente nova de terapias e ferramentas de diagnóstico [20].

Um genoma completamente sintético foi produzido por Craig Venter, e sua equipe o introduziu em células hospedeiras bacterianas geneticamente esvaziadas, e permitiu que as células hospedeiras crescessem e se replicassem [21] .

Transformação Celular[editar | editar código-fonte]

Atualmente, organismos inteiros não estão sendo criados a partir do zero, mas sim células vivas estão sendo transformadas com inserções de DNA novo. Existem várias maneiras de construir componentes de DNA sintéticos e até mesmo genomas sintéticos inteiros, mas uma vez que o código genético desejado é obtido, ele é integrado em uma célula viva que se espera que manifeste as novas capacidades ou fenótipos desejados ao crescer e prosperar. A transformação celular é usada para criar circuitos biológicos, que podem ser manipulados para produzir as saídas desejadas [22] [23] .

Armazenamento de Informação[editar | editar código-fonte]

Os cientistas podem codificar grandes quantidades de informação digital em uma única cadeia de DNA sintético. Em 2012, George M. Church codificou um de seus livros sobre biologia sintética no DNA. Os 5,3 Mb de dados do livro é mais de 1000 vezes maior do que a maior quantidade de informação anterior armazenada em DNA sintetizado. [48] Um projeto similar codificara os sonetos completos de William Shakespeare em DNA [24].

Vias Genéticas Sintéticas[editar | editar código-fonte]

A engenharia metabólica tradicional foi reforçada pela introdução de combinações de genes estranhos e otimização por evolução direcionada. Talvez a aplicação mais conhecida da biologia sintética até o momento seja a engenharia de E. coli e levedura para a produção comercial de um precursor do fármaco antipalúdico, Artemisinina, pelo laboratório de Jay Keasling [25].

Proteínas Projetadas[editar | editar código-fonte]

A proteína Top7 foi uma das primeiras proteínas projetadas para uma dobra que nunca tinha sido visto antes na natureza. [26]

Embora existam métodos para engenharia de proteínas naturais, tais como por evolução dirigida, existem também projetos para projetar novas estruturas de proteína que correspondem ou melhorar a funcionalidade das proteínas existentes. Um grupo gerou um feixe de hélice que era capaz de ligar o oxigênio com propriedades similares à hemoglobina, mas não se ligava ao monóxido de carbono [27] . Foi gerada uma estrutura proteica semelhante para suportar uma variedade de atividades oxidorredutase [28] . Outro grupo gerou uma família de receptores acoplados à proteína G que poderiam ser ativados pela pequena molécula inerte clozapina-N-óxido, mas insensível ao ligante nativo, a acetilcolina [29].

Biossensores[editar | editar código-fonte]

Um biossensor refere-se a um organismo, geralmente uma bactéria, que é capaz de relatar algum fenômeno ambiental, como a presença de metais pesados ou toxinas. Nesta capacidade, um sistema muito utilizado é o operon Lux de Aliivibrio fischeri. O operon de Lux codifica uma enzima que é a bioluminescência bacteriana de origem e pode ser colocada depois de um promotor respondente para expressar os genes de luminescência em resposta a um estímulo ambiental específico. Um desses sensores criado em Oak Ridge National Laboratory, e denominado "critter on a chip", consistia em um revestimento bacteriano bioluminescente em um chip de computador fotossensível para detectar certos poluentes de petróleo. Quando as bactérias sentem o poluente, começam a luminescência [30].

Exploração Espacial[editar | editar código-fonte]

A biologia sintética levantou o interesse da NASA, pois poderia ajudar a produzir recursos para os astronautas a partir de um portfólio restrito de compostos enviados da Terra [31] [32]. Em Marte, em particular, a biologia sintética também poderia levar a processos de produção baseados em recursos locais, tornando-a uma ferramenta poderosa no desenvolvimento de postos tripulados com mínima dependência da Terra [31]

Enzimas Industriais[editar | editar código-fonte]

Pesquisadores e empresas que utilizam biologia sintética têm por objetivo sintetizar enzimas com alta atividade, para produzir produtos com produtividade e eficácia ótimas. Estas enzimas sintetizadas visam melhorar produtos como detergentes e produtos lácteos isentos de lactose, bem como torná-los mais rentáveis [33].

As melhorias da engenharia metabólica por biologia sintética é um exemplo de uma técnica biotecnológica utilizada na indústria para descobrir produtos farmacêuticos e produtos químicos fermentativos. A biologia sintética pode investigar os sistemas de vias modulares na produção bioquímica e aumentar os rendimentos da produção metabólica. A atividade enzimática artificial e os efeitos subseqüentes sobre as taxas de reação metabólica e os rendimentos podem desenvolver "novas estratégias eficientes para melhorar as propriedades celulares. . . Para a produção bioquímica industrialmente importante. " [34]

Produção de Materiais[editar | editar código-fonte]

Ao integrar as abordagens de biologia sintética com as ciências dos materiais, seria possível imaginar células como fundições moleculares microscópicas para produzir materiais com propriedades que podem ser codificadas geneticamente. Os recentes avanços neste sentido incluem a reengenharia de fibras curli, o componente amilóide de material extracelular de biofilmes, como uma plataforma para nanomaterial programável. Estas nanofibras foram geneticamente construídas para funções específicas, incluindo: adesão a substratos; Modelo de nanopartículas; E imobilização de proteínas.

Bioética e Segurança[editar | editar código-fonte]

Além de inúmeros desafios científicos e técnicos, a biologia sintética levanta questões éticas e questões de biossegurança. No entanto, com a exceção da regulação de empresas de síntese de DNA, as questões não são vistas como novas, porque eles foram levantados durante a fase do DNA recombinante e organismos geneticamente modificados (OGM).

Preocupações éticas[editar | editar código-fonte]

A biologia sintética traz à tona uma série de questões, incluindo: quem terá o controle e acesso aos produtos da biologia sintética, e quem vai ganhar com essas inovações? Colocar patentes sobre organismos e regulamentos na em bioengenharia de embriões humanos são grandes preocupações no campo da bioética. [35]

Estude Biologia Sintética no Brasil - Pós-Graduação[editar | editar código-fonte]

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. a b Andrianantoandro, Ernesto; Subhayu. (2006-01-01). "Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline" (em en). Molecular Systems Biology 2 (1): n/a–n/a. DOI:10.1038/msb4100073. ISSN 1744-4292. PMID 16738572.
  2. «Biologia Sistêmica e Sintética | BioCel - Biologia Celular e Molecular». rbp.fmrp.usp.br. Consultado em 2016-10-28. 
  3. Duc, Stéphane Le (1910-01-01). Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées. (Paris: A. Poinat). 
  4. «BStitre». www.peiresc.org. Consultado em 2016-10-23. 
  5. Prêmio Nobel 1978
  6. Gene 1978, 4, p 181
  7. Gardner, Timothy S.; Charles R.. (2000-01-20). "Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli" (em en). Nature 403 (6767): 339–342. DOI:10.1038/35002131. ISSN 0028-0836.
  8. Elowitz, Michael B.; Stanislas. (2000-01-20). "A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators" (em en). Nature 403 (6767): 335–338. DOI:10.1038/35002125. ISSN 0028-0836.
  9. Gibson, Daniel G.; John I. Glass, Carole Lartigue, Vladimir N. Noskov, Ray-Yuan Chuang, Mikkel A. Algire, Gwynedd A. Benders, Michael G. Montague, Li Ma, Monzia M. Moodie, Chuck Merryman, Sanjay Vashee, Radha Krishnakumar, Nacyra Assad-Garcia, Cynthia Andrews-Pfannkoch, Evgeniya A. Denisova, Lei Young, Zhi-Qing Qi, Thomas H. Segall-Shapiro, Christopher H. Calvey, Prashanth P. Parmar, Clyde A. Hutchison, Hamilton O. Smith, J. Craig Venter (2010-05-20). «Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome». Science [S.l.: s.n.]: science.1190719. doi:10.1126/science.1190719. 
  10. «Nasceu a primeira forma de vida artificial - Ciências - PUBLICO.PT». publico.pt. Consultado em 20-Maio-2010. 
  11. «JCVI: First Self-Replicating, Synthetic Bacterial Cell Constructed by J. Craig Venter Institute Researchers». www.jcvi.org. Consultado em 20-Maio-2010. 
  12. Craig Venter unveils "synthetic life". Vídeo de conferência de imprensa de Craig Venter. [[TED (conferência)|]]. Página acedida em 21 de Maio de 2010.
  13. a b c d Agência de notícias da Aids/Sociedade Brasileira de Infectologia. (27 de maio de 2010). Pesquisadores de universidades do Brasil anunciam criação de vírus HIV artificial, acesso em 31 de maio de 2010
  14. «UFPE cria vírus artificial de HIV». Jornal do Commercio on-line. Consultado em 27-Maio-2010. 
  15. a b c d Jornal Nacional. (27 de maio de 2010). Pesquisadores anunciam criação do vírus HIV artificial, acesso em 27 de maio de 2010
  16. a b c PE 360 graus. (27 de maio de 2010). Pesquisadores da UFPE dão importante passo para criação da vacina contra a Aids, acesso em 27 de maio de 2010
  17. «Engineering life through Synthetic Biology». www.bioinfo.de. Consultado em 2016-10-27. 
  18. Stone, Marcia. . "Life Redesigned To Suit the Engineering Crowd". Microbe Magazine 1 (12): 566–570. DOI:10.1128/microbe.1.566.1.
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  21. Gibson, Daniel G.; John I.. (2010-07-02). "Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome" (em en). Science 329 (5987): 52–56. DOI:10.1126/science.1190719. ISSN 0036-8075. PMID 20488990.
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  23. Gardner, Timothy S.; Charles R.. (2000-01-20). "Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli" (em en). Nature 403 (6767): 339–342. DOI:10.1038/35002131. ISSN 0028-0836.
  24. "Films, Photos And Shakespeare Stored In DNA" (em en-GB). Sky News.
  25. Westfall, Patrick J.; Douglas J.. (2012-01-17). "Production of amorphadiene in yeast, and its conversion to dihydroartemisinic acid, precursor to the antimalarial agent artemisinin" (em en). Proceedings of the National Academy of Sciences 109 (3): E111–E118. DOI:10.1073/pnas.1110740109. ISSN 0027-8424. PMID 22247290.
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  27. Koder, Ronald L.; J. L. Ross. (2009-03-19). "Design and engineering of an O(2) transport protein". Nature 458 (7236): 305–309. DOI:10.1038/nature07841. ISSN 1476-4687. PMID 19295603.
  28. Farid, Tammer A.; Goutham. (2013-12-01). "Elementary tetrahelical protein design for diverse oxidoreductase functions". Nature Chemical Biology 9 (12): 826–833. DOI:10.1038/nchembio.1362. ISSN 1552-4469. PMID 24121554.
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  31. a b Verseux, Cyprien N.; Paulino-Lima, Ivan G.; Baqué, Mickael; Billi, Daniela; Rothschild, Lynn J. (2016-01-01). Hagen, Kristin; Engelhard, Margret; Toepfer, Georg, : . Synthetic Biology for Space Exploration: Promises and Societal Implications. Ethics of Science and Technology Assessment (em inglês) Springer International Publishing [S.l.] pp. 73–100. doi:10.1007/978-3-319-21088-9_4. ISBN 9783319210872. 
  32. Montague, Michael; George H.. (2012-11-09). "The Role of Synthetic Biology for In Situ Resource Utilization (ISRU)". Astrobiology 12 (12): 1135–1142. DOI:10.1089/ast.2012.0829. ISSN 1531-1074.
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  34. Liu, Yanfeng; Hyun-dong. (2014-12-31). "Toward metabolic engineering in the context of system biology and synthetic biology: advances and prospects" (em en). Applied Microbiology and Biotechnology 99 (3): 1109–1118. DOI:10.1007/s00253-014-6298-y. ISSN 0175-7598.
  35. Savulescu, Julian; Jonathan. (2015-06-26). "The moral imperative to continue gene editing research on human embryos" (em en). Protein & Cell 6 (7): 476–479. DOI:10.1007/s13238-015-0184-y. ISSN 1674-800X. PMID 26113289.

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Em inglês[editar | editar código-fonte]

Em português[editar | editar código-fonte]


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