16.14: Biologia sintética

A biologia sintética é uma ciência interdisciplinar que envolve o uso de princípios de disciplinas como engenharia, biologia molecular, biologia celular e biologia de sistemas. Envolve a remodelação de organismos existentes na natureza ou a construção de organismos sintéticos completamente novos para aplicações como produção de proteínas ou enzimas, biorremediação, produção de macromoléculas de valor agregado e adição de características desejáveis às culturas, para citar alguns.

Arroz dourado

O arroz dourado é uma planta de arroz geneticamente modificada que produz grãos ricos em β-caroteno – um precursor da vitamina A. As plantas de arroz possuem inerentemente a capacidade de produzir β-caroteno. No entanto, a produção ocorre apenas nas folhas, uma vez que partes do caminho de produção são desativadas no grão. A inserção de três genes que codificam enzimas - fitoeno sintase, fitoeno dessaturase e licopeno β-ciclase no genoma das plantas de arroz desencadeia a produção de β-caroteno nos grãos de arroz.

Genoma e organismo artificial

A construção de genomas sintéticos completamente novos é relativamente mais complexa do que a remodelação do genoma, e vários esforços têm sido feitos ao longo dos anos para desenvolver esta metodologia gradualmente. No ano de 2002, foi sintetizado o primeiro genoma viral artificial do poliovírus. No entanto, o grande avanço foi a síntese de um genoma bacteriano sintético de Mycoplasma genitalium em 2008. M.genitalium foi selecionado como o organismo de escolha para o desenvolvimento desta metodologia porque tinha um dos menores genomas com cerca de 485 genes codificados em ~6.000.000 pb. do DNA. Cerca de 100 desses genes não eram essenciais e, portanto, foram eliminados para criar um genoma sintético mínimo.

Usando a metodologia desenvolvida, esses pesquisadores deram um passo à frente e criaram um organismo unicelular sintético. A sequência do genoma deste organismo sintético foi proveniente de Mycoplasma mycoides. Embora o tamanho do genoma de M. mycoides seja maior que o de M.genitalium, ele foi escolhido para este experimento devido à sua taxa de crescimento mais rápida.

A síntese parcial do genoma de uma levedura Saccharomyces cerevisiae no ano de 2017 é a mais recente adição à lista de genomas sintetizados artificialmente, e os pesquisadores estão atualmente tentando sintetizar genomas de linhas celulares humanas e genomas de outras plantas e animais. Embora a biologia sintética tenha inúmeros benefícios, existem várias preocupações éticas que a rodeiam, incluindo a utilização para o desenvolvimento de armas biológicas.

A biologia sintética é uma ciência interdisciplinar que aplica princípios de engenharia à biologia. Ele se baseia nos avanços da biologia molecular, celular e de sistemas.

A biologia sintética visa construir novos componentes ou sistemas biológicos, como enzimas, células, circuitos genéticos e vias metabólicas que não existem na natureza. Isso pode ser feito redesenhando os genomas de organismos existentes ou sintetizando genomas completamente novos.

Duas técnicas cruciais para a biologia sintética são o sequenciamento de DNA e a síntese química de DNA. O sequenciamento ajuda a estudar o material genético de organismos encontrados na natureza, enquanto a síntese química de DNA ajuda a construir sequências recém-projetadas para testes.

A biologia sintética difere da tecnologia de DNA recombinante porque envolve o uso de sequências de DNA sintetizadas quimicamente, em vez de apenas recombinar o DNA encontrado em outros organismos. A sequência sintetizada pode ser baseada em sequências encontradas na natureza ou pode ser completamente nova.

Também é diferente da engenharia genética, que envolve a transferência de genes individuais de um organismo ou célula para outro, ou da edição do genoma, que envolve pequenas mudanças feitas no próprio DNA do organismo.

No redesenho do genoma, grandes trechos de sequências sintetizadas artificialmente que codificam vários genes são inseridas no genoma de um organismo. O redesenho geralmente é realizado com o objetivo de resolver problemas específicos.

Por exemplo, a levedura Saccharomyces cerevisiae foi redesenhada usando genes bacterianos e vegetais para produzir um precursor de um medicamento antimalárico barato, a artemisinina.

A biologia sintética também inclui projetar e construir artificialmente genomas inteiros. Por exemplo, o genoma bacteriano de Mycoplasma genitalium foi construído artificialmente, tornando-se a maior estrutura de DNA sintético.

Isso foi feito sintetizando quimicamente e juntando pequenos de DNA, que foram reunidos em subconjuntos e, finalmente, ligados para formar um único genoma, usando recombinação homóloga - um mecanismo de reparo de DNA encontrado na natureza.

Além disso, os cientistas também criaram uma forma de vida sintética - um organismo unicelular que foi criado usando um genoma sintetizado artificialmente, cuja sequência foi originada de um organismo, Mycoplasma mycoides, encontrado na natureza.