1.8: Biologia Sintética

A biologia sintética é um campo que combina biologia e engenharia para criar ou redesenhar entidades biológicas, organismos ou caminhos biológicos. A ideia é semelhante à síntese química em química, onde reações bem conhecidas são usadas para sintetizar novos compostos químicos. O objetivo final pode variar desde a criação de novas moléculas de drogas biológicas até a modificação de organismos para torná-los capazes de quebrar resíduos. Este vídeo discute os princípios básicos da biologia sintética e algumas técnicas utilizadas para a construção de módulos biológicos. Finalmente, apresentamos algumas aplicações do mundo real deste campo em evolução.

O objetivo principal deste campo emergente é usar a biologia e a bioengenharia como ferramenta para criar novas moléculas e organismos. Assim como um engenheiro elétrico criando um circuito funcional a partir de componentes elétricos individuais, um objetivo fundamental da biologia sintética é criar um microrganismo programável do zero usando componentes celulares individuais. No entanto, isso ainda está longe de ser alcançável neste momento, principalmente porque os processos biológicos são menos compreendidos. Esse objetivo se torna mais alcançável pelos avanços recentes, como o sequenciamento de DNA de próxima geração. Usando sequenciamento de DNA, os pesquisadores podem identificar as funções em genes específicos de sequência de DNA em organismos que possuem certos traços desejáveis. Então, a sequência exata de DNA pode ser sintetizada em grandes quantidades e, em seguida, usada para modificar geneticamente uma célula usando transfecção. Transfecção é o processo de inserção de material genético, como DNA ou RNA, em células de mamíferos. Quando realizada em células bacterianas, a técnica é chamada de transformação. Nesse processo, o DNA é frequentemente complexo com moléculas portadoras positivamente carregadas ou condensados dentro de uma partícula liposema ou polímero positivamente carregada, como a polietileneimina. O complexo carregado positivamente se liga à membrana celular negativamente carregada e, em seguida, entra na célula através da endocitose, que é um processo pelo qual as moléculas entram em uma célula através de vesículas ligadas à membrana chamadas endosários. Uma vez dentro da célula, o material genético deixa o endóssomo e eventualmente entra no núcleo, onde o maquinário da célula é capaz de fazer MRNA e, em seguida, proteína a partir dele. Agora que introduzimos o básico da biologia sintética, vamos dar uma olhada em algumas técnicas de transfecção comumente usadas em laboratório.

A eletroporação é uma técnica que envolve o uso de um eletrodo para criar poros minúsculos na membrana celular, permitindo assim que o DNA passe. Primeiro, a parte inferior de cada poço de uma placa de 48 poços é revestida com 250 microliters de anticorpos e tampão com cálcio e magnésio. As placas são então incubadas a 37 graus. Em seguida, o RNA está preparado para transfecção. Um microliter da solução de estoque de RNA é aliquo em um tubo de microcentifuge para cada transfecção separada, com os tubos restantes no gelo. As placas revestidas de anticorpos são então lavadas com tampão antes que a mídia celular seja adicionada. As células são separadas do fundo dos poços de cultura tecidual, agrupadas em um tubo de centrífuga, pelleted e resuspended. As células são contadas e sua viabilidade avaliada. Em seguida, um pequeno volume de células é adicionado a cada alíquota de RNA. As células do RNA são então carregadas em uma ponta de eletrodo pipeta e tampão eletrolítico adicionado a uma cuvette de vidro. O cuvette é colocado dentro do suporte, e o eletrodo de pipeta colocado na cuvette. As células são eletroporadas usando uma tensão pulsada de cerca de 1500 volts. Depois que a eletroporação é completa, as células são misturadas com mídia de cultura celular em uma placa de cultura e usadas ou armazenadas.

Outra técnica é o método de choque térmico, que usa calor para criar aberturas na membrana celular. Primeiro, os meios de comunicação e o ágar apropriados são preparados e esterilizados. Em seguida, o ágar resfriado contendo antibiótico é derramado em pratos e permitido esfriar à temperatura ambiente. Em seguida, um banho de água é definido para 42 graus Celsius e as células quimicamente competentes descongeladas no gelo. Um a cinco microlitres de um nanograma por microlitra de plasmídeo frio é adicionado às células descongeladas e misturado suavemente. Em seguida, a mistura celular e plasma é devolvida ao gelo por 30 minutos. Após esta incubação no gelo, a mistura celular é colocada no banho de água para aquecê-la por 30 segundos. A mistura de células e plasmídeos é então imediatamente colocada no gelo e mídia fresca adicionada. Em seguida, a mistura celular é colocada em uma incubadora de agitação a 37 graus Celsius por uma hora, para que as células possam se recuperar. Em seguida, as células são cultivadas nas placas de ágar adicionando 20 a 200 microliters das bactérias cultivadas à placa e, em seguida, espalhando-se. As placas são então incubadas durante a noite. No dia seguinte, as placas de ágar devem ter crescimento de colônia indicando que as células tomaram o plasmídeo. Essas colônias agora podem ser usadas para mais experimentos.

Agora que introduzimos alguns métodos comuns de transfecção e transformação, vamos dar uma olhada em algumas aplicações deste campo novo. Bactérias geneticamente modificadas podem ser usadas para limpeza ambiental, como resíduos de óleo degradantes. O uso de técnicas de biologia sintética, organismos personalizados poderiam ser projetados para quebrar poluentes ambientais específicos. Isso poderia incorrer em custos de limpeza mais baixos do que os métodos típicos de limpeza intensiva da mão-de-obra. Sistemas biológicos dimensionados moleculares construídos sinteticamente também poderiam ser criados para diagnosticar e tratar doenças específicas como o câncer. Esses organismos poderiam ser criados para responder às assinaturas características ou anticorpos das células cancerosas. Além disso, eles poderiam ajudar no tratamento de células infectadas por direcionamento programado.

Você acabou de assistir a introdução de Jove à biologia sintética. Agora você deve estar familiarizado com os objetivos deste novo campo e algumas técnicas usadas para melhorar e eventualmente criar organismos para combater os problemas mundiais atuais. Obrigado por assistir.