Biologia Sintética
Este vídeo apresenta a biologia sintética e seu papel na bioengenharia. A biologia sintética refere-se aos métodos utilizados para modificar geneticam…
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.
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A biologia sintética é um campo que combina biologia e engenharia para criar ou redesenhar entidades, 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 decompor os resíduos. Este vídeo discute os princípios básicos da biologia sintética e algumas técnicas usadas para construir módulos biológicos. Finalmente, apresentamos algumas aplicações do mundo real desse campo em evolução.
O objetivo principal deste campo emergente é usar a biologia e a bioengenharia como uma ferramenta para criar novas moléculas e organismos. Muito parecido com um engenheiro elétrico - criando um circuito funcional a partir de componentes elétricos individuais, um dos principais objetivos 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 é mais alcançável por avanços recentes, como o sequenciamento de DNA de próxima geração. Usando o sequenciamento de DNA, os pesquisadores podem identificar as funções em genes específicos da sequência de DNA em organismos que possuem certas características desejáveis. Então, a sequência exata de DNA pode ser sintetizada em grandes quantidades e usada para modificar geneticamente uma célula usando transfecção. A 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 complexado com moléculas transportadoras carregadas positivamente ou condensado dentro de um lipossomo ou partícula de polímero carregada positivamente, como a polietilenoimina. O complexo carregado positivamente se liga à membrana celular carregada negativamente e, em seguida, entra na célula por endocitose, que é um processo pelo qual as moléculas entram em uma célula por meio de vesículas ligadas à membrana chamadas endossomos. Uma vez dentro da célula, o material genético deixa o endossomo e, eventualmente, entra no núcleo, onde a maquinaria da célula é capaz de produzir MRNA e depois proteína a partir dele. Agora que introduzimos os fundamentos 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 minúsculos poros na membrana celular, permitindo assim a passagem do DNA. Primeiro, o fundo de cada poço de uma placa de 48 poços é revestido com 250 microlitros de anticorpos e tampão com cálcio e magnésio. As placas são então incubadas a 37 graus. Em seguida, o RNA é preparado para transfecção. Um microlitro de solução estoque de RNA é aliquotado em um tubo de microcentífugo para cada transfecção separada, com os tubos permanecendo no gelo. As placas revestidas com anticorpos são então lavadas com tampão antes que o meio celular seja adicionado. As células são destacadas do fundo dos poços de cultura de tecidos, agrupadas em um tubo de centrífuga, peletizadas e ressuspensas. 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 pipeta, eletrodo, ponta e tampão eletrolítico adicionado a uma cubeta de vidro. A cubeta é colocada dentro do suporte e o eletrodo da pipeta colocado na cubeta. As células são eletroporadas usando uma tensão pulsada de cerca de 1500 volts. Após a conclusão da eletroporação, as células são misturadas com meios de cultura de células 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, o meio e o ágar apropriados são preparados e esterilizados. Em seguida, o ágar resfriado contendo antibiótico é despejado em placas e deixado esfriar até a temperatura ambiente. Em seguida, um banho-maria é ajustado para 42 graus Celsius e as células quimicamente competentes descongelam no gelo. Um a cinco microlitros de um nanograma por microlitro de plasmídeo frio são adicionados às células descongeladas e misturados suavemente. Em seguida, a mistura de células e plasma é devolvida ao gelo por 30 minutos. Após esta incubação no gelo, a mistura celular é colocada no banho-maria para choque térmico por 30 segundos. A mistura de células e plasmídeos é então imediatamente colocada no gelo e adicionada mídia fresca. Em seguida, a mistura de células é colocada em uma incubadora agitada 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 microlitros das bactérias cultivadas à placa e depois espalhando. As placas são então incubadas durante a noite. No dia seguinte, as placas de ágar devem ter crescimento de colônias, indicando que as células absorveram o plasmídeo. Essas colônias agora podem ser usadas para experimentos adicionais.
Agora que introduzimos alguns métodos comuns de transfecção e transformação, vamos dar uma olhada em algumas aplicações desse novo campo. Bactérias geneticamente modificadas podem ser usadas para limpeza ambiental, como resíduos de óleo degradantes. Usando técnicas de biologia sintética, organismos personalizados podem ser projetados para quebrar poluentes ambientais específicos. Isso pode incorrer em custos de limpeza mais baixos do que os métodos típicos de limpeza intensiva em mão de obra. Sistemas biológicos em escala molecular construídos sinteticamente também podem ser criados para diagnosticar e tratar doenças específicas como o câncer. Esses organismos podem ser criados para responder às assinaturas ou anticorpos característicos das células cancerígenas. Além disso, eles podem ajudar no tratamento de células infectadas por direcionamento programado.
Você acabou de assistir a Introdução à Biologia Sintética de Jove. Agora você deve estar familiarizado com os objetivos deste novo campo e algumas técnicas usadas para aprimorar e, eventualmente, criar organismos para combater os problemas mundiais atuais. Obrigado por assistir.
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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.