Resumo sobre Biologia Molecular e Sintética

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Biologia molecular, campo da ciência preocupado em estudar as 
estruturas químicas e os processos dos fenômenos biológicos que 
envolvem as unidades básicas da vida, as moléculas. O campo da 
biologia molecular está focado especialmente em ácidos nucléicos (por 
exemplo, DNA e RNA) e proteínas – macromoléculas essenciais aos 
processos vitais – e como essas moléculas interagem e se comportam 
dentro das células. A biologia molecular surgiu na década de 1930, 
tendo-se desenvolvido a partir dos campos relacionados da bioquímica, 
genética e biofísica; hoje permanece intimamente associado a esses 
campos. 
 
Várias técnicas foram desenvolvidas para a biologia molecular, embora 
os pesquisadores da área também possam empregar métodos e técnicas 
nativos da genética e de outros campos intimamente associados. Em 
particular, a biologia molecular procura compreender a estrutura 
tridimensional das macromoléculas biológicas através de técnicas como 
a difração de raios X e a microscopia eletrônica. A disciplina procura 
particularmente compreender a base molecular dos processos genéticos; 
os biólogos moleculares mapeiam a localização dos genes em 
cromossomos específicos, associam esses genes a caracteres 
específicos de um organismo e usam engenharia genética (tecnologia de 
DNA recombinante) para isolar, sequenciar e modificar genes 
específicos. Essas abordagens também podem incluir técnicas como 
reação em cadeia da polimerase, western blotting e análise de 
microarranjos. 
 
No seu período inicial, durante a década de 1940, o campo da biologia 
molecular preocupava-se em elucidar a estrutura tridimensional básica 
das proteínas. O crescente conhecimento da estrutura das proteínas no 
início da década de 1950 permitiu a estrutura de ácido 
desoxirribonucléico (DNA) – o modelo genético encontrado em todos os 
seres vivos – a ser descrito em 1953. Pesquisas adicionais permitiram 
aos cientistas obter um conhecimento cada vez mais detalhado não 
apenas do DNA e do ácido ribonucléico (RNA), mas também das 
sequências químicas dentro dessas substâncias que instruem as células 
e os vírus a produzir proteínas. 
 
A biologia molecular permaneceu uma ciência pura com poucas 
aplicações práticas até a década de 1970, quando foram descobertos 
certos tipos de enzimas que podiam cortar e recombinar segmentos de 
DNA nos cromossomos de certas bactérias. A tecnologia do DNA 
recombinante tornou-se um dos ramos mais ativos da biologia molecular 
porque permite a manipulação das sequências genéticas que 
determinam as características básicas dos organismos. 
 
Biologia sintética, campo de pesquisa em que o objetivo principal é criar 
sistemas biológicos totalmente operacionais a partir das menores partes 
constituintes possíveis, incluindo DNA , proteínas , e outras moléculas 
orgânicas. A biologia sintética incorpora muitas técnicas e abordagens 
científicas diferentes. Os sistemas sintéticos criados podem ser usados 
para gerar produtos que vão desde etanol e drogas até organismos 
sintéticos completos, como bactérias complexas que podem digerir e 
neutralizar produtos químicos tóxicos. Idealmente, estes sistemas e 
organismos biológicos sintéticos personalizados seriam muito mais 
seguros e menos complicados do que abordagens baseadas na 
manipulação de entidades biológicas que ocorrem naturalmente. Os 
sistemas e organismos sintéticos funcionariam essencialmente como 
“fábricas” ou “computadores” biológicos. 
 
História da biologia sintética 
Poderíamos considerar que o primeiro cientista a conduzir com sucesso 
pesquisas em biologia sintética foi Friedrich Wöhler, um químico alemão 
que em 1828 aplicou cloreto de amônio ao isocianato de prata para 
produziruréia , principal composto transportador de nitrogênio encontrado 
na urina de mamíferos . Ao fazer isso, ele sintetizou uma substância 
orgânica a partir de matéria inorgânica. A partir de então, os cientistas 
criaram rotineiramente matéria orgânica através de vários processos 
químicos convencionais. 
 
Na década de 1970, os cientistas começaram a realizar experimentos 
com engenharia genética e tecnologia de DNA recombinante, na qual 
modificaram o código genético de bactérias de tipo selvagem (de 
ocorrência natural), inserindo genes únicos de tipo selvagem que 
poderiam alterar a função bacteriana. Esta tecnologia levou à produção 
de medicamentos biológicos, agentes feitos a partir de proteínas e outros 
compostos orgânicos produzidos por bactérias com DNA recombinante; 
um desses compostos é a insulina sintética. No entanto, como a 
engenharia genética utiliza genes e bactérias existentes, tem limitações 
técnicas e é dispendiosa. 
 
No início da década de 1970, paralelamente aos desenvolvimentos da 
engenharia genética, os cientistas descobriram formas de fabricar genes 
personalizados, que foram construídos do zero, ou de novo (latim para 
“de novo”), um nucleótido (uma unidade de ADN) de cada vez. Ao longo 
das décadas de 1980 e 1990 e no início dos anos 2000, as tecnologias 
de síntese de ADN tornaram-se cada vez mais eficientes em termos de 
tempo e custos, permitindo assim um avanço constante e uma 
experimentação mais ambiciosa. Ao fabricar novos trechos de DNA, os 
cientistas conseguiram criar com eficiência compostos orgânicos de novo 
que são mais complexos do que aqueles que ocorrem na natureza e que 
são mais adequados para fins específicos. 
 
Avanços na biologia sintética 
Transplante de genoma 
Em junho de 2007, cientistas O J. Craig Venter Research Institute (JCVI), 
nos Estados Unidos, levou a biologia sintética a um novo nível quando 
transplantou com sucesso o genoma inteiro de uma espécie de bactéria 
(Mycoplasma mycoides) para o citoplasma de outra (Mycoplasma 
capricolum ), realizando o primeiro completo transplante de genoma. As 
novas bactérias eram completamente desprovidas de seus genes nativos 
e, após a divisão celular, tornaram-se fenotipicamente equivalentes 
(semelhantes em suas características observáveis) aM. mycoides. 
 
Genomas sintéticos 
Em janeiro de 2008, os cientistas do JCVI Daniel G. Gibson e Hamilton 
O. Smith montaram com sucesso uma versão modificada do genoma da 
bactériaM. genitalium do zero. Isto foi marcadamente diferente das 
modificações genéticas uma a uma da investigação do ADN 
recombinante, uma vez que numerosos genes foram ligados entre si para 
criar um novo genoma. O genoma sintético era apenas ligeiramente 
diferente do natural; as pequenas diferenças evitaram que o genoma se 
tornasse patogênico (causador de doenças) e também permitiram que 
fosse identificado como artificial. Os cientistas apelidaram esta nova 
versãoM. genitalium JCVI-1.0. Tendo 582.970 pares de bases, era 10 
vezes mais longo do que qualquer genoma previamente montado. M. 
genitalium JCVI-1.0 foi criado a partir de 101 “cassetes” sobrepostos e 
feitos sob medida, cada um com 5.000 a 7.000 nucleotídeos de 
comprimento. M. genitalium foi escolhida para o experimento porque é a 
bactéria natural mais simples que pode ser cultivada in vitro (em 
condições de laboratório); seu genoma é composto por apenas 482 
genes (mais 43 genes codificadores de RNA). 
 
Em maio de 2010, os pesquisadores do JCVI anunciaram que criaram 
um genoma sintético de 1,08 milhão de pares de bases e o inseriram no 
citoplasma de uma bactéria, criando a primeira forma de vida funcional 
com um genoma sintético. A célula sintética foi denominada M. mycoides 
JCVI-syn1.0. O seu genoma era quase idêntico ao genoma natural de M. 
mycoides , excepto que tinha certas "marcas de água" genéticas para 
indicar a sua composição sintética . 
 
Conceito de célula mínima 
Os cientistas do JCVI levantaram a hipótese de que cerca de 100 genes 
a mais poderiam ser removidos do genoma JCVI-1.0 do M. genitalium 
sem sacrificar sua função (embora não tivessem certeza de quais 100 
genes). Acredita-se que um genoma de aproximadamente381 genes 
seja o tamanho mínimo necessário para sustentar a vida. Os 
investigadores planearam criar este genoma abreviado, que depois 
inseririam numa célula, criando assim uma forma de vida artificial. Eles 
planejaram chamar esta forma de vidaM. laboratorium, e eles registraram 
um pedido de patente para ele. M. laboratorium seria usado como um 
chassi ao qual outros genes poderiam ser adicionados para criar 
bactérias personalizadas para diversos fins, inclusive como novas formas 
de combustível ou como produtos de limpeza ambiental, capazes de 
remover poluentes do solo, do ar ou da água. 
 
 
 
Em 2016, a equipe do JCVI criou a menor célula sintética funcional até 
então, M. mycoides JCVI-syn3.0, que continha apenas 531.560 pares de 
bases e 473 genes. JCVI-syn3.0, uma versão genomicamente 
minimizada de JCVI-syn1.0, foi produzida usando uma combinação de 
design de genoma completo (selecionando DNA e organizando-o de 
forma a gerar um genoma funcional) e síntese química . O genoma 
sintetizado foi então transplantado para o citoplasma para testar a 
viabilidade. JCVI-syn3.0 replicou com sucesso e produziu colônias 
semelhantes em forma às de JCVI-syn1.0. 
 
BioBricks e ácidos xenonucleicos 
Outro cientista de destaque no campo da biologia sintética foi o 
bioengenheiro americanoDrew Endy, que fundou a organização sem fins 
lucrativosFundação BioBricks. Endy estava desenvolvendo um catálogo 
de informações necessárias para sintetizar partes biológicas básicas, ou 
“tijolos”, de DNA e outras moléculas. Outros cientistas e engenheiros 
foram capazes de utilizar esta informação para construir quaisquer 
produtos biológicos que desejassem, sabendo que certos “tijolos” 
desempenhariam consistentemente a mesma função em construções 
orgânicas maiores. A esperança de Endy era que os BioBricks fizessem 
pela bioengenharia o que os resistores e os transistores faziam pela 
engenharia elétrica. Ainda outros cientistas tentaram criarDNA sintético 
com um código genético expandido que incluía novos pares de bases 
além dos pares naturais de AT ( adenina - timina ) e CG ( citosina - 
guanina ). 
 
Uma variação do tema do DNA sintético envolve a síntese de ácidos 
nucléicos que carregam os pares de bases naturais do DNA, mas 
possuem uma estrutura composta por outros açúcares além da 
desoxirribose. Essas moléculas, conhecidas comoos ácidos 
xenonucleicos (XNAs) não podem ser replicados pela enzima DNA 
polimerase, que catalisa a síntese de DNA. Em vez disso, a sua 
replicação requer enzimas especialmente projetadas, as primeiras das 
quais capazes de transcrever fielmente o DNA no produto XNA desejado 
foram relatadas em 2012. 
 
Aplicações da biologia sintética 
Muitos cientistas suspeitam que a biologia sintética não só revelará 
novos conhecimentos sobre a maquinaria da vida, mas também trará 
novas aplicações biotecnológicas. Duas aplicações principais que estão 
sendo buscadas são os biocombustíveis efarmacêuticos . Por exemplo, 
os investigadores têm trabalhado no fabrico sintético do medicamento 
antimaláricoartemisinina , que é produzida naturalmente na planta de 
absinto doce ( Artemisia annua ), uma espécie de crescimento lento. 
Usando técnicas de biologia sintética , os cientistas separaram as 
sequências de DNA da planta e as vias proteicas que produzem 
artemisinina e as combinaram com leveduras e bactérias. Isto aumentou 
a produção de artemisinina sintética em cerca de 10 milhões de vezes a 
produção que era possível no final da década de 1990. 
 
Outros cientistas foram além desta abordagem de “fábrica de células”, 
que ainda é semelhante ao trabalho feito com DNA recombinante , ao 
tentar criar novas formas de bactérias que possam destruir tumores . OA 
Agência de Projectos de Investigação Avançada de Defesa (DARPA) do 
Departamento de Defesa dos EUA fez experiências com a criação de 
computadores biológicos, e outros cientistas militares estão a tentar 
conceber proteínas e produtos genéticos a partir do zero que actuarão 
como vacinas ou curas específicas. 
 
 
 
Na área debiocombustíveis , cientistas de diversas empresas estão 
tentando criar micróbios que possam decompor matérias-primas densas 
(como switchgrass) para produzir biocombustíveis; essas matérias-
primas podem ser cultivadas, processadas e queimadas de uma forma 
mais eficiente, menos dispendiosa e ambientalmente sustentável em 
relação aos combustíveis fósseis que os veículos utilizam atualmente. 
 
Geneticista e bioquímico americanoJ. Craig Venter liderou um esforço 
para modificar os genes dos micróbios para secretar óleo. Se forem 
ampliados com sucesso para a produção comercial, estes organismos 
poderão servir como fontes valiosas de energia renovável . 
 
Avaliação de riscos e preocupações éticas em biologia sintética 
A biologia sintética não está isenta de riscos. Como quase todas as 
tecnologias, pode ser usada para o bem ou para o mal, e esses males 
podem ser intencionais ou acidentais. No entanto, há algum debate sobre 
se a biologia sintética representa riscos categoricamente diferentes 
daqueles colocados por outras formas de investigação biológica e 
engenharia genética . Tanto os organismos geneticamente modificados 
como os sintéticos são capazes de se reproduzir, sofrer mutações, 
evoluir e espalhar-se pelo ambiente , o que os torna mais arriscados do 
que os produtos químicos perigosos. Mas desde o advento da 
engenharia genética na década de 1970, os cientistas aprenderam que 
os organismos artificiais concebidos para utilização em laboratório são 
menos adequados para a sobrevivência no ambiente natural em 
comparação com os organismos que ocorrem naturalmente. 
 
A biologia sintética não acrescenta muito à ameaça das armas biológicas 
, porque a síntese de DNA é um processo caro; existem técnicas de 
engenharia genética mais baratas que existem há décadas. O risco de 
acidentes pode ser tratado de forma semelhante à forma como qualquer 
investigação potencialmente perigosa é normalmente tratada – através 
da educação, sistemas de responsabilização, manutenção de registos e, 
possivelmente, licenciamento ou acreditação de cientistas que realizam 
tais investigações ou manuseiam tais produtos. No entanto, existe 
preocupação com as chamadas “propriedades emergentes”, que podem 
surgir inesperadamente quando genes de novo sem linhagem natural 
entram no ambiente e interagem entre si. Isto é especialmente arriscado 
para organismos sintéticos concebidos para utilização fora do laboratório. 
Cientistas e engenheiros precisarão projetar organismos que 
permaneçam estáveis; isso poderia ser alcançado por meio de esforços 
que impeçam os organismos de desenvolver novas características ou 
que os façam perder as características projetadas. No entanto, embora 
seja relativamente fácil prever o que um organismo sintético fará no 
ambiente pretendido, é muito mais difícil prever como evoluirá após 
múltiplas gerações de exposição a pressões ambientais ou de interacção 
com outros organismos.