Aula 5 - Biologia molecular aplicada_engenharia da materia_18042023

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Tópicos avançados em biotecnologia
CEN0400
1S2023
Biologia molecular aplicada:
Engenharia da matéria
1
Ciência de átomos e moléculas
A Física e a Biologia do século XXI trouxeram conhecimento sobre
composições atômicas de milhares de moléculas, mostrando ao mundo o, 
talvez, imensurável grau de complexidade dos sistemas.
Levaram a ciência ao nível atômico e molecular.
Revolução de micro para nanotecnologias levou ao
desenvolvimento da área de bioengenharia molecular
Máquinas biológicas
Mecanismos celulares são nanomáquinas codificadas em uma
linguagem génética
Como engenheirar tais máquinas biológicas?
Bioengenharia molecular
Para que serve a bioengenharia molecular?
Atuar na solução de problemas
globais:
• Áreas de saúde e bem-estar
• Medicina personalizada
• Indústria de tecnologia biomédica
• Agricultura de precisão
• Bionanopartículas
• Biorremediação
…entre outros
Interrelações entre moléculas
Para bioengenheirar é preciso conhecer
as regras ou “comandos” das maquinarias
celulares e como são as interrelações
entre as moléculas (não semente suas
interações)
Como saber a função das moléculas?
Anotação funcional de genes (predição de 
função)
A palavra chave é: contextualização
• Biológica
• Bioquímica
• Molecular
• Celular
• Evolutiva
entre outras....
Anotação de genomas
Koonin EV, Galperin MY.
Boston: Kluwer Academic; 2003.
http://www.springer.com/
Inferência de funções básicas
grupos proteicos/proteína
O que é? Onde atua? Para quê?
• Enzima?
• Fator de transcrição?
• Receptor?
• Putative?!!!
• Membrana?
• Citoplasma?
• Núcleo?
• Mitocôndria?
• Predicted?!!
• Regulação?
• Interação?
• Clivagem?
• Sinalização?
• Estrutural?
• Not defined?!!!!
Bancos de dados de anotação funcional
Bancos de dados
Familias de proteínas
Estrutura de proteínas
Sequência e informaçãoo
funcional
Vias metabólicas e 
de sinalizacao
Genes e genomas
metabolismo
Interacoes proteína-proteína
Como se faz a predição de função de genes ?
http://www.geneontology.org/
https://www.blast2go.com/
Exemplo de como predizer função de um gene
1° Encontrar a sequência gênica de interesse desconhecida ou conhecida 
(nucleotídeos ou aminoácidos)
NCBI
Exemplo de como predizer função de um gene
2° Copiar a sequência em formato FASTA
Exemplo de como predizer função de um gene
3° Fazer a busca de anotação funcional da sequência alvo em bancos de dados de anotação
http://www.uniprot.org/
Exemplo de como predizer função de um gene
3° Reconhecer as melhores predições funcionais
Exemplo de como predizer função de um gene
4° Observar informações de função biológica e possíveis papéis moleculares e funcionais
Exemplo de como predizer função de um gene
4° Observar informações de função biológica e possíveis papéis moleculares e funcionais
Anotação ajuda a predizer funções biológicas
Ontologia gênica
Hierarquia de 
termos de anotação 
funcional
Biochim Biophys Acta. 2015 
Jan;1854(1):46-54. doi: 
10.1016/j.bbapap.2014.10.019
Bancos de dados interconectados
Orchard S et al. Mol Cell Proteomics 2005;4:435-440
©2005 by American Society for Biochemistry and Molecular Biology
Anotação funcional integrada 
A bioinformática ajuda a integrar informações e 
usá-la de maneira mais eficiente
Programas de integração e mineração de dados
$$$$
Visualização e análise de anotação funcional
Programas de visualização e integração de
dados ajudam na compreensão dos processos
biológicos
Bancos de dados 
públicos contendo
informação funcional 
de proteínas
Visualização de 
dados e geração de 
hipóteses
Visualização e análise de anotação funcional
Como fazemos isso?
Lista de proteínas 
identificadas por MS
(protein Ids)
Bancos de dados 
públicos contendo
informação funcional 
de proteínas
Informação funcional 
de proteínas de 
interesse• Co-expressão genica
• Interações físicas
• Vias metabólicas
• Localização celular
• Domínios proteicos
Informações de anotação funcional
Características do sistema emergem da análise 
integrativa
Informações de anotação funcional
Características biológicas sobrerrepresentadas 
podem ser identificadas
Interrelações entre compostos podem ser preditas
Associações podem ser preditas
Ontologias gênicas na busca por funções biológicas
Ontologias podem ser exploradas usando programas
Ontologias agrupadas
Ontologias específicas podem ser usadas com fator 
classificador (Mosaic plug in)
Inferir localização celular das proteínas
Anotação funcional de proteomas
Biochim Biophys Acta. 2015 Jan;1854(1):46-54. doi: 
10.1016/j.bbapap.2014.10.019
...é um poquinho mais complicado.....
O que é? Onde atua? Para quê?O que é? Onde atua? Para quê?O que é? Onde atua? Para quê?O que é? Onde atua? Para quê?O que é? Onde atua? Para quê?
Anotar muitos processos .....
Anotação funcional de proteomas realiza a 
integração de anotações funcionais de proteínas
Visualização de relações entre termos de anotação
Biochim Biophys Acta. 2015 Jan;1854(1):46-54. doi: 
10.1016/j.bbapap.2014.10.019
E depois?
Informação Ação
Dados biológicos Engenharia biológica
Construção de máquinas biológicas
Princípios que permeiam a ideia de construir máquinas biológicas
Modularidade e Padronização
33
Reconstrução de funções lógicas em sistemas biológicos
Reconhecer nos sistemas biológicos partes (genes, proteínas, 
metabólitos) que controlam funções específicas nas células 
para usá-los para gerar circuitos lógicos que realizam uma 
função biológica desejada.
Material genético utilizado
http://www.infoescola.com/reino-monera/plasmideo/
Procariotos Eucariotos
Montagem de sistemas genéticos
Montagem é o processo pelo qual partes são conectadas umas as outras.
Montando duas partes básicas resultam em uma nova, composta. A
montagem pode permitir a construção de partes que são longas e mais
complexas em termos da função que exercem.
Engenharia genética
http://www.bbc.co.uk/
Pedaços de DNA de
diferentes
organismos são
combinados e
inseridos em um
outro organismo
aceptor
Clonagem tradicional (direcional)
https://www.youtube.com/watch?v=b9Lm2TUDN2M
Clonagem directional se refere a geração de fragmentos de DNA usando enzimas de 
restrição, e a sua subsequente montagem em vetores e transformação em células
hospedeiras.
Modificação atual de sistemas genéticos
• Mudar a expressão de proteínas
• Padronizar e copiar genes nesses organismos
• Engenharia completa de novas proteínas
• Reprogramação de células
• Criação de nova vida similar a que conhecemos e possivelmente outras 
desconhecidas
Exemplos de aplicações
Expansão de modificações de sistemas genéticos
▪ Padronização das partes dos sistemas
▪ Facilidade de acesso
▪ Facilidade de realizar montagens
▪ Democratização da tecnologia 
Idéia principal: Faça você mesmo
Partes padronizadas
Bio bricks (tijolos biológicos)
Sequências de DNA de estrutura definida e função que
compartilham uma interface comum, flanqueadas por uma
porção ajusante e a montante universal
Partes dos sistemas genéticos
Símbolos padrão em biologia sintética
Módulos genéticos padronizados
BioBricks™
BioBricks™ é o padrão para partes intercambiáveis, desenvolvidas com 
uma visão de construir sistemas biológicos nas células vivas.
BioBrick™ Systems
BioBrick™ partes podem ser montadas para construção de dispositivos úteis,
através do processo geralmente referidos como “montagem padrão”.
Biobrick
Construção de máquinas biológicas
Partes
(biotijolos)
>BBa_K863006 Part-only sequence (1551 bp)
atgcaacgtcgtgatttcttaaaatattccgtcgcgctgggtgtggcttcggctttgccgctgtggaaccgcgcagtatttgcggcagaacgcccaac
gttaccgatccctgatttgctcacgaccgatgcccgtaatcgcattcagttaactattggcgcaggccagtccacctttggcgggaaaactgcaact
acctggggctataacggcaatctgctggggccggcggtgaaattacagcgcggcaaagcggtaacggttgatatctacaaccaactgacgga
agagacaacgttg cactggcacg
ecol laccase from E. coli with T7 promoter, 
RBS and His-tag
Parte
45
Biobricks (partes padronizadas)
Thoms F.Knight (MIT, 2003)
BioBricks Foundation
Public agrément
Prefixos e sufixos de constructos gênicos
http://parts.igem.org/
Locais de clivagem dos vetores (plasmídeos)
http://parts.igem.org/
Compatibilidade em sistemas padrão
http://parts.igem.org/
Montagem 3A (3 antibióticos)
Montagem 3A (3 antibióticos) é um método de montagem de duas partes e 
seleção de montagens corretas usando-se antibióticos.
Resistente ao
antibiótico A
Resistente ao
antibiótico B
Resistente ao
antibiótico C
http://parts.igem.org/
Method
1.Restriction Digests
1. The left part sample is cut out with EcoRI and SpeI.
2. The right part sample is cut out with XbaI and PstI.
3. The linearized plasmid backbone is a linear piece of DNA. It has a few bases
beyond the EcoRI and PstI restriction sites. It is cut with EcoRI and PstI.
2.All 3 restriction digests are heated to heat kill all of the restriction enzymes.
3.An equimolar quantity of all 3 restriction digest products are combined in a ligation
reaction.
4.The desired result is the left part sample's SpeI overhang ligated with the right part
sample's XbaI overhang resulting in a scar that cannot be cut with any of our
enzymes.
5.The new composite part sample is ligated into the construction plasmid backbone at
the EcoRI and PstI sites.
6.When the ligation is transformed into cells and grown on plates with antibiotic C,
only colonies with the correct construction survive.
Montagem tipo II S
Enzimas de restrição do tipo II, como BsaI, cortam o DNA fora da região de seu
sítio de restrição.
Isso permite personalização de pontas ligantes, ao contrário de enzimas de 
restrição tradicionais (ex. EcoRI). 
As partes cortadas poderão ser cortadas com as mesmas enzimas mas as regiões
cortadas poderão ser distintas, possibilitando a união de diferentes partes em uma
montage única.
Exige um cuidado extra no planejamento e preparação das múltiplas partes que 
serão unidas em uma única montagem.
http://parts.igem.org/
Montagem do tipo “Golden gate “
Nature Reviews Molecular Cell Biology 16, 568–576 (2015) doi:10.1038/nrm4014
GGTCTCNAGGT****CCACNGAGACC
CCAGAGNTCCA****GGTGNCTCTGG GGTCTCNCCAC@@@@GGTANGAGACC
CCAGAGNGGTG@@@@CCATNCTCTGG
GGTCTCNGGTA$$$$CCGANGAGACC
CCAGAGNCCAT$$$$GGCTNCTCTGG
AGGTNGAGACC&&&&GGTCTCNCCGA
TCCAGNCTCTGG&&&&CCAGAGNGGCT
Montagem do tipo “Golden gate “
Nature Reviews Molecular Cell Biology 16, 568–576 (2015) doi:10.1038/nrm4014
Montagem Tipo II S
https://www.youtube.com/watch?v=xusiavAC_Xk
Montagem “Golden gate”
https://www.youtube.com/watch?v=piyc2ONyV1o
Montagem por síntese de DNA
Síntese de DNA
Da mesma forma que a síntese de DNA pode ser usada para a síntese de partes
do Sistema genético, ela pode ser usada para sintetizar a montagem complete de
várias partes.
https://www.youtube.com/watch?v=1S0x3aRCviM
Múltiplos genes clonados de uma única vez
Método baseado em exonucleases II 
para montar fragmentos de DNA na
ordem correta
https://www.neb.com/applications/cloning-and-synthetic-biology/dna-assembly-and-
cloning/gibson-assembly
Montagem Gibson
https://youtu.be/8_-t5xtJ3y8
https://www.youtube.com/watch?annotation_id=annotation_4153262203&fe
ature=iv&src_vid=f984D89MqfI&v=8_-t5xtJ3y8
	Slide 1
	Slide 2: Ciência de átomos e moléculas
	Slide 3: Máquinas biológicas
	Slide 4: Para que serve a bioengenharia molecular?
	Slide 5: Interrelações entre moléculas
	Slide 6: Como saber a função das moléculas? Anotação funcional de genes (predição de função)
	Slide 7: Anotação de genomas
	Slide 8: Inferência de funções básicas
	Slide 9: Bancos de dados de anotação funcional
	Slide 10: Como se faz a predição de função de genes ?
	Slide 11: Exemplo de como predizer função de um gene
	Slide 12: Exemplo de como predizer função de um gene
	Slide 13: Exemplo de como predizer função de um gene
	Slide 14: Exemplo de como predizer função de um gene
	Slide 15: Exemplo de como predizer função de um gene
	Slide 16: Exemplo de como predizer função de um gene
	Slide 17: Anotação ajuda a predizer funções biológicas
	Slide 18: Ontologia gênica
	Slide 19: Bancos de dados interconectados
	Slide 20: Anotação funcional integrada 
	Slide 21: Visualização e análise de anotação funcional
	Slide 22: Visualização e análise de anotação funcional
	Slide 23: Informações de anotação funcional
	Slide 24: Informações de anotação funcional
	Slide 25: Interrelações entre compostos podem ser preditas
	Slide 26: Ontologias gênicas na busca por funções biológicas
	Slide 27: Ontologias agrupadas
	Slide 28: Inferir localização celular das proteínas
	Slide 29: Anotação funcional de proteomas
	Slide 30
	Slide 31: Visualização de relações entre termos de anotação
	Slide 32: E depois?
	Slide 33: Construção de máquinas biológicas
	Slide 34: Reconstrução de funções lógicas em sistemas biológicos
	Slide 35: Material genético utilizado
	Slide 36: Montagem de sistemas genéticos
	Slide 37: Engenharia genética
	Slide 38: Clonagem tradicional (direcional)
	Slide 39: Modificação atual de sistemas genéticos
	Slide 40: Expansão de modificações de sistemas genéticos
	Slide 41: Partes padronizadas
	Slide 42: Partes dos sistemas genéticos
	Slide 43: Símbolos padrão em biologia sintética
	Slide 44: Módulos genéticos padronizados
	Slide 45: Construção de máquinas biológicas
	Slide 46: Biobricks (partes padronizadas)
	Slide 47: Prefixos e sufixos de constructos gênicos
	Slide 48: Locais de clivagem dos vetores (plasmídeos)
	Slide 49: Compatibilidade em sistemas padrão
	Slide 50: Montagem 3A (3 antibióticos)
	Slide 51
	Slide 52: Montagem tipo II S
	Slide 53: Montagem do tipo “Golden gate “
	Slide 54: Montagem do tipo “Golden gate “
	Slide 55: Montagem Tipo II S
	Slide 56: Montagem “Golden gate”
	Slide 57: Montagem por síntese de DNA
	Slide 58: Múltiplos genes clonados de uma única vez
	Slide 59: Montagem Gibson