Biología sintética
Este video presenta la biología sintética y su papel en Bioingeniería. Biología sintética se refiere a los métodos utilizados para modificar genéticam…
La biología sintética es un campo que combina la biología y de ingeniería para crear o rediseñar organismos entidades biológicas o caminos, la idea es similar a la síntesis química en química donde conocidas reacciones se utilizan para sintetizar nuevos compuestos químicos, la objetivo final puede variar, desde la creación de nuevas moléculas de drogas biológicas para la modificación de organismos para que sean capaces de descomponer los desechos. Este video trata sobre los principios básicos de la biología sintética y de algunas técnicas utilizadas para la construcción de módulos biológicos. Por último, presentamos algunas aplicaciones reales de este campo en evolución.
El objetivo principal de este campo emergente, es utilizar biología y bio-ingeniería como una herramienta para crear organismos y nuevas moléculas. Al igual que un ingeniero eléctrico, creando un circuito funcional de los componentes eléctricos individuales, un objetivo clave de la biología sintética, es crear un microorganismo programable desde cero utilizando componentes de la célula individual. Sin embargo, esto todavía está lejos posible en este punto, principalmente porque los procesos biológicos son menos entendidos, este objetivo se hace más factible por los avances recientes, como la siguiente generación DNA la secuencia, usando la DNA secuencia los investigadores pueden identificar la funciones en secuencia de la DNA en genes específicos en organismos que poseen ciertos rasgos deseables. Entonces, la secuencia exacta del ADN puede ser sintetizada en grandes cantidades y luego utilizada para modificar genéticamente una célula mediante transfección. La transfección es el proceso de inserción de material genético como ADN o ARN en células de mamíferos. Cuando se realiza en las células bacterianas, la técnica se llama transformación. En este proceso, el ADN es a menudo complexed con las moléculas de portador de carga positiva o condensada dentro de una partícula positivamente cargada de liposomas o polímero como polietilamina. El complejo cargado positivamente se une a la membrana celular cargada negativamente y entonces entra en la célula mediante endocitosis, lo que es un proceso por el cual moléculas entrar en una célula mediante una vesícula encuadernada de la membrana llamada endosomas. Una vez dentro de la célula, el material genético deja el endosome y finalmente entra en el núcleo, donde maquinaria de la célula es capaz de hacer de MRNA y proteína de él. Ahora que hemos introducido los conceptos básicos de la biología sintética, echemos un vistazo a algunas técnicas de transfección utilizados en el laboratorio.
La electroporación es una técnica que implica el uso de un electrodo para crear pequeños poros en la membrana celular, permitiendo así DNA pase a través. En primer lugar, la parte inferior de cada pocillo de una placa bien 48 está recubierta con 250 microlitros de tampón con calcio y magnesio y el anticuerpo. Luego se incuban las placas a 37 grados. A continuación, el ARN está preparado para la transfección. Un microlitro de solución madre de RNA es alícuotas en un tubo de microcentifuge para cada transfección separado. Con los tubos en hielo. Las placas recubiertas de anticuerpos entonces se lavan con buffer antes de agregar los medios de comunicación de la célula. Las células son separadas de la parte inferior de los pocillos de cultivo de tejidos, agrupados en un tubo de centrífuga peleteado y resuspendió. Las células se cuentan y evaluar su viabilidad. Luego se añade un pequeño volumen de células a cada alícuota de ARN de las células en el ARN se cargan entonces en una punta de electrodo pipeta y electrolítica tampón a una cubeta de vidrio. Se coloca la cubeta en el soporte, y el electrodo pipeta colocada en la cubeta. Las células son electroporated con un voltaje pulsado de cerca de 1500 voltios. Después de la electroporación es completa, las células se mezclan con un medio de cultivo celular en una placa de cultivo y utilizados o almacenados.
Otra técnica es el método de choque de calor, que utiliza calor para crear aberturas en la membrana celular. En primer lugar, los medios adecuados agar preparado y esterilizado. Entonces el agar refrigerado que contiene antibiótico es había vertido en placas y dejar enfriar a temperatura ambiente. A continuación se establece un baño de agua a 42 grados centígrados y las células químicamente competentes descongeladas en el hielo. Uno a cinco microlitros de una nanogramos por microlitro de plásmido frío se añade a las células descongeladas y mezclado suavemente. La mezcla de células y plasma se volvió en el hielo durante 30 minutos. Después de la incubación en hielo, la mezcla de células es colocada en el baño de agua a choque térmico durante 30 segundos. La mezcla de células y el plásmido se coloca inmediatamente en hielo y media recién añadido. Luego la mezcla de células se coloca en un incubador de agitación a 37 grados centígrados por una hora, para que las células pueden recuperar. A continuación las células se cultivan en las placas de agar añadiendo 20 a 200 microlitros de las bacterias cultivadas a la placa y luego separarse. Las placas se incuban luego durante la noche. Al día siguiente, las placas de agar deben tener Colonia de crecimiento que indica que las células han tomado en el plásmido. Estas colonias pueden utilizarse ahora para más experimentación.
Ahora que hemos introducido algunas transfección comun y métodos de transformación, vamos a echar un vistazo a algunas aplicaciones de este nuevo campo. Las bacterias genéticamente podrían utilizarse para la limpieza del medio ambiente como degradar residuos de aceite. Utilizando organismos personalizado de técnicas de biología sintética podría diseñarse para descomponer contaminantes ambientales específicos. Esto podría incurrir en los costos de limpieza que la típica mano de obra métodos de limpieza. También se pudieran crear el sintético construidos sistemas biológicos escalados moleculares para diagnosticar y tratar enfermedades específicas como el cáncer. Estos organismos se podrían crear para responder a la característica firmas o anticuerpos de las células cancerosas. Además, podría ayudar en el tratamiento de las células infectadas por objetivos programados.
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La biología sintética es un campo que combina la biología y la ingeniería para crear o rediseñar entidades, organismos o vías biológicas. La idea es similar a la síntesis química en química, donde se utilizan reacciones bien conocidas para sintetizar nuevos compuestos químicos. El objetivo final puede variar desde la creación de nuevas moléculas de fármacos biológicos hasta la modificación de organismos para que sean capaces de descomponer los desechos. En este vídeo se analizan los principios básicos de la biología sintética y algunas técnicas utilizadas para construir módulos biológicos. Finalmente, presentamos algunas aplicaciones en el mundo real de este campo en evolución.
El objetivo principal de este campo emergente es utilizar la biología y la bioingeniería como herramienta para crear nuevas moléculas y organismos. Al igual que un ingeniero eléctrico crea un circuito funcional a partir de componentes eléctricos individuales, un objetivo clave de la biología sintética es crear un microorganismo programable desde cero utilizando componentes celulares individuales. Sin embargo, esto aún está lejos de ser alcanzable en este momento, principalmente porque los procesos biológicos son menos conocidos. Este objetivo se hace más alcanzable gracias a los avances recientes, como la secuenciación de ADN de próxima generación. Mediante la secuenciación del ADN, los investigadores pueden identificar las funciones de los genes específicos de la secuencia de ADN en organismos que poseen ciertos rasgos deseables. Luego, la secuencia exacta de ADN se puede sintetizar en grandes cantidades y luego se puede usar para modificar genéticamente una célula mediante transfección. La transfección es el proceso de insertar material genético, como ADN o ARN, en células de mamíferos. Cuando se realiza en células bacterianas, la técnica se denomina transformación. En este proceso, el ADN a menudo se acompleja con moléculas portadoras cargadas positivamente o se condensa dentro de un liposoma cargado positivamente o una partícula polimérica, como la polietileneimina. El complejo cargado positivamente se une a la membrana celular cargada negativamente y luego ingresa a la célula a través de la endocitosis, que es un proceso por el cual las moléculas ingresan a una célula a través de vesículas unidas a la membrana llamadas endosomas. Una vez dentro de la célula, el material genético abandona el endosoma y finalmente entra en el núcleo, donde la maquinaria de la célula es capaz de producir ARNm y luego proteínas a partir de él. Ahora que hemos introducido los conceptos básicos de la biología sintética, echemos un vistazo a algunas técnicas de transfección comúnmente utilizadas en el laboratorio.
La electroporación es una técnica que implica el uso de un electrodo para crear pequeños poros en la membrana celular, permitiendo así el paso del ADN. Primero, el fondo de cada pocillo de una placa de 48 pocillos está recubierto con 250 microlitros de anticuerpo y tampón con calcio y magnesio. A continuación, las placas se incuban a 37 grados. A continuación, se prepara el ARN para la transfección. Un microlitro de solución madre de ARN se alícuota en un tubo de microcentífugo para cada transfección separada, y los tubos permanecen en hielo. A continuación, las placas recubiertas de anticuerpos se lavan con tampón antes de añadir el medio celular. Las células se separan del fondo de los pocillos de cultivo de tejidos, se agrupan en un tubo de centrífuga, se peletizan y se vuelven a suspender. Se cuentan las células y se evalúa su viabilidad. A continuación, se añade un pequeño volumen de células a cada alícuota de ARN. A continuación, las células de ARN se cargan en una punta de electrodo de pipeta y se añaden tampón electrolítico a una cubeta de vidrio. La cubeta se coloca dentro del soporte y el electrodo de pipeta se coloca en la cubeta. Las celdas se electroporan utilizando un voltaje pulsado de aproximadamente 1500 voltios. Una vez completada la electroporación, las células se mezclan con los medios de cultivo celular en una placa de cultivo y se utilizan o almacenan.
Otra técnica es el método de choque térmico, que utiliza calor para crear aberturas en la membrana celular. En primer lugar, se preparan y esterilizan los medios y el agar adecuados. Luego, el agar enfriado que contiene antibiótico se vierte en placas y se deja enfriar a temperatura ambiente. A continuación, se establece un baño de agua a 42 grados centígrados y las células químicamente competentes se descongelan en hielo. Se añaden de uno a cinco microlitros de un nanogramo por microlitro de plásmido frío a las células descongeladas y se mezclan suavemente. Luego, la mezcla de célula y plasma se devuelve al hielo durante 30 minutos. Después de esta incubación en hielo, la mezcla celular se coloca en el baño de agua para realizar un choque térmico durante 30 segundos. A continuación, la mezcla de células y plásmidos se coloca inmediatamente en hielo y se añaden medios frescos. Luego, la mezcla de células se coloca en una incubadora agitadora a 37 grados centígrados durante una hora, para que las células puedan recuperarse. A continuación, las células se cultivan en las placas de agar añadiendo de 20 a 200 microlitros de las bacterias cultivadas a la placa y luego se esparcen. A continuación, las placas se incuban durante la noche. Al día siguiente, las placas de agar deben tener un crecimiento de colonia que indica que las células han absorbido el plásmido. Estas colonias ahora se pueden usar para más experimentos.
Ahora que hemos introducido algunos métodos comunes de transfección y transformación, echemos un vistazo a algunas aplicaciones de este novedoso campo. Las bacterias modificadas genéticamente podrían usarse para la limpieza ambiental, como la degradación de residuos de petróleo. Utilizando técnicas de biología sintética, se podrían diseñar organismos personalizados para descomponer contaminantes ambientales específicos. Esto podría incurrir en costos de limpieza más bajos que los métodos de limpieza típicos que requieren mucha mano de obra. Los sistemas biológicos a escala molecular construidos sintéticamente también podrían crearse para diagnosticar y tratar enfermedades específicas como el cáncer. Estos organismos podrían crearse para responder a las firmas características o anticuerpos de las células cancerosas. Además, podrían ayudar en el tratamiento de las células infectadas mediante la focalización programada.
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Q1: What is the main goal of synthetic biology?
Synthetic biology combines biology and engineering to create or redesign biological entities, organisms, or pathways. The primary objective is to use biology as a tool to create new molecules and organisms, similar to how an electrical engineer builds functional circuits from individual components. Researchers aim to create programmable microorganisms from scratch using individual cell components to solve real-world problems.
Q2: How does transfection differ from transformation in genetic modification?
Transfection is the process of inserting genetic material such as DNA or RNA into mammalian cells. When the same technique is performed on bacterial cells, it is called transformation. Both methods use positively charged carrier molecules or liposomes to deliver genetic material across the negatively charged cell membrane via endocytosis.
Q3: What happens during electroporation in the laboratory?
Electroporation uses an electrode to create tiny pores in the cell membrane, allowing DNA to pass through. Cells and RNA are loaded into a pipette electrode tip with electrolytic buffer in a glass cuvette. A pulsed voltage of approximately 1500 volts is applied to open the membrane temporarily. After electroporation, cells are mixed with culture media and either used or stored for further experimentation.
Q4: What are the key steps in the heat shock method for bacterial transformation?
The heat shock method begins with chemically competent cells thawed on ice and mixed with cold plasmid DNA. The mixture is incubated on ice for 30 minutes, then placed in a 42-degree Celsius water bath for 30 seconds. Cells are immediately returned to ice, fresh media is added, and the mixture is incubated at 37 degrees Celsius for one hour to allow recovery. Cells are then cultured on antibiotic-containing agar plates overnight to identify successful transformants.
Q5: How does DNA sequencing advance synthetic biology research?
DNA sequencing allows researchers to identify specific gene functions in organisms with desirable traits. Once identified, the exact DNA sequence can be synthesized in large amounts and used to genetically modify cells through transfection or transformation. This capability enables scientists to isolate and replicate beneficial genetic information, making it possible to engineer custom organisms for specific applications.
Q6: What are real-world applications of synthetic biology?
Synthetic biology has diverse applications including environmental cleanup, where genetically engineered bacteria break down oil residues and specific pollutants at lower costs than traditional labor-intensive methods. In medicine, synthetically constructed organisms can be engineered to diagnose and treat diseases like cancer by responding to cancer cell signatures and targeting infected cells for treatment. These engineered systems support upstream and downstream bioprocess engineering for scaled production.
Q7: How does genetic material enter the cell during transfection?
During transfection, DNA is complexed with positively charged carrier molecules or condensed within positively charged liposomes or polymer particles such as polyethyleneimine. The positively charged complex attaches to the negatively charged cell membrane and enters via endocytosis, a process using membrane-bound vesicles called endosomes. Once inside, genetic material leaves the endosome and enters the nucleus where cellular machinery produces mRNA and protein.