Introdução a Biotecnologia

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Tópico 06
Biologia Molecular e Biotecnologia
Introdução a Biotecnologia
1. Introdução
A fabricação de cerveja e o processo de panificação podem ser
considerados exemplos de biotecnologia, porque utilizam
microrganismos vivos, a levedura, para produzir o produto
desejado. Esse tipo de processo emprega organismos vivos na
sua forma natural.
No entanto, a biotecnologia tem avançado e permitido
modificações em sistemas biológicos, ou organismos. Com o
avanço da engenharia genética, ou seja, manipulação do material
genético de organismos, um grande avanço biotecnológico tem
sido alcançado nas áreas de medicina, biologia, agricultura e
meio ambiente.
Esses conhecimentos possuem aplicação ampla. Sobre isso,
podemos citar o desenvolvimento de novas terapias, como as
vacinas que, em vez de usarem o organismo morto, ou atenuado,
empregam somente proteínas recombinantes em sistemas
heterólogos (ou seja, somente a proteína que gera a resposta
imune, produzida em uma bactéria modificada geneticamente).
Biotecnologia também permite o uso de plantas geneticamente
melhoradas, a exemplo do aperfeiçoamento de leveduras, ditas
transgênicas para produção mais eficiente de biocombustíveis.
Há também melhoramentos na indústria alimentícia com
introdução do gene da quimosina (antes extraído de animais)
para produção de queijos. Agora, o gene da quimosina pode ser
introduzido em microorganismos, como os Kluyveromyces
lactis, Aspergillus niger var awamori e uma variante da
bactéria Escherichia coli, para sua produção (LODISH et al.,
2014; JOHNSON et al., 2017). Assim, vamos entender um pouco
mais sobre o que é biotecnologia e quais áreas ela abrange!
2. O que é Biotecnologia?
Biotecnologia emprega as ciências da vida, como a biologia, e a
tecnologia, com o intuito de desenvolver produtos em diversas
áreas, sejam elas a microbiologia, a biologia molecular, a
bioquímica, a ecologia, a agricultura, a reprodução, ou a
genética. Assim, a biotecnologia utiliza processos celulares e
biomoleculares, para desenvolver tecnologias e produtos com a
intenção de melhorar nossas vidas e a saúde de nosso planeta
(LODISH et al., 2014; JOHNSON et al., 2017).
A produção de álcool é uma das aplicações mais básicas da
biotecnologia industrial. Por exemplo, a cerveja é feita de água,
de uma fonte de amido, como a cevada, de levedura de cerveja e
de um aromatizante, como o lúpulo (BORZANI et al., 2001).
O amido presente na cevada deve ser convertido em açúcar por
enzimas (que são ativadas, quando a cevada é maltada) e depois
fermentado (o fermento do cervejeiro metaboliza os açúcares,
para produzir álcool e dióxido de carbono). Nesse processo, são
utilizadas enzimas e micróbios, duas ferramentas comuns
usadas na biotecnologia industrial (BORZANI et al., 2001).
Além de usá-las como ferramentas destinadas à elaboração de
produtos biotecnológicos, células e enzimas também podem ser
os produtos biotecnológicos. Por exemplo: enzimas são usadas
na produção de detergentes, processamento de alimentos,
cosméticos e muito mais.
A biotecnologia industrial também está presente em muitos
produtos que estão em sua casa e você usa todos os dias.
Especificamente, a biotecnologia industrial utiliza enzimas e
microrganismos, a fim de produzir produtos de base biológica
em vários setores, como produtos químicos, ingredientes
alimentares, detergentes, papel, têxteis e biocombustíveis
(LODISH et al., 2014; JOHNSON et al., 2017).
Somado a isso, a biotecnologia industrial pode apresentar uma
oportunidade significativa para desenvolver medicamentos
difíceis de serem produzidos por outros meios, devido a
problemas de pureza (JOHNSON et al., 2017). O
bioprocessamento (conversão de substrato em produtos em
fermentação por exemplo) pode ser usado, com a finalidade de
desenvolver novos caminhos ligados à conversão de matérias-
primas de baixo custo em produtos de alto valor, incluindo
produtos farmacêuticos ativos e seus intermediários.
A biotecnologia também está envolvida em melhoramentos de
plantas, a fim de resolver questões, a exemplo das relacionadas à
alimentação de uma população crescente e oferecer novas
alternativas aos nossos escassos recursos naturais (LODISH et
al., 2014; JOHNSON et al., 2017).
Os benefícios proporcionados pela biotecnologia compreendem
desde uma cultura aperfeiçoada de bactérias para a produção de
alimentos úteis, como queijos, até as melhorias na qualidade de
vida, como é o caso da possibilidade de editar genes defeituosos
no genoma humano (LODISH et al., 2014; JOHNSON et al.,
2017).
Inclusive, a edição de genes é uma das áreas em que os
pesquisadores investem seus esforços atualmente, pretendendo
um dia chegar a editar o genoma humano. Isso significa, por
exemplo, retirar sequências no DNA que poderiam levar ao
desenvolvimento de doenças. Em relação a isso, assista ao vídeo
abaixo, a fim de perceber o que a biotecnologia é capaz de fazer.
Desta forma, vamos começar a entender um importante
processo da biotecnologia: a clonagem de genes, conhecida como
expressão heteróloga, ou seja, a maneira pela qual se expressa
genes que não são próprios dos organismos.
3. Clonagem de Genes
O que seria clonagem? O conceito simples seria a geração de
uma cópia idêntica de uma célula, ou organismo. Poderíamos
dizer que, quando os procariotos se duplicam e geram cópias
idênticas de si, eles estão gerando clones. Mas, primeiramente,
vamos começar a entender o que seria clonagem de genes.
Os cientistas usam essa técnica, a princípio, para entender como
um gene funciona. Com o advento do sequenciamento, existem
bancos de dados para muitos organismos. Quando os cientistas
querem descobrir, por exemplo, a função de uma proteína ainda
não estudada, eles podem, por meio da análise dessas sequências
À medida que o conhecimento avança, a biotecnologia
abre novas fronteiras. Assista ao vídeo, para entender
alguns aspectos da edição de genoma:

Pesquisadora da UFMG aborda edição de gePesquisadora da UFMG aborda edição de ge……
https://www.youtube.com/watch?v=m5RwmIZXDXE
dos bancos de dados, compararem sequências entre organismos
semelhantes pelo uso da bioinformática.
Então, por exemplo, se análises de bioinformática levarem a
entender que um gene ainda não estudado codifica uma proteína
com função de permease (proteína que permite a entrada de
carboidratos dentro da célula), os cientistas, com essa
informação, precisam comprovar essa função
experimentalmente. Todavia, como isso pode ser feito?
Para fazer isso, eles precisam introduzir o gene dessa proteína
dentro de um organismo cuja sequência do genoma é conhecida.
A investigação da função precisa ser feita em uma célula viva,
por exemplo, a bactéria Escherichia coli. O organismo que irá
receber essa proteína, no nosso exemplo, a E. coli, será um
organismo mutante para a permease em questão, ou
geneticamente modificado (LODISH et al, 2014; JOHNSON et
al., 2017).
Assim, se um mutante que não possuía uma permease antes
passar a apresentar o fenótipo de permease, podemos concluir
que a hipótese de que o gene facilitava a entrada de um
carboidrato é verdadeira.
No que diz respeito a isso, vamos olhar o esquema abaixo, a fim
de entender esse processo na genética clássica:
Fluxograma de clonagem, a fim de se relacionar um gene à sua função.
Retorne à figura anterior. A clonagem propriamente dita envolve
os passos de 3 a 5. No entanto, para o estudo detalhado da
função de um gene a nível molecular, é necessário que uma
grande quantidade do produto do gene seja purificada. Isso é
possível a partir do uso das técnicas do DNA recombinante.
Assim, vamos entender um pouco mais sobre clonagem de
genes.
Tecnologia do DNA Recombinante
A tecnologia do DNA recombinante permite clonar uma
molécula de DNA e produzir muitas cópias desse DNA. O gene
que será clonado é inserido em um outro organismo, por isso,
essa técnica é conhecida como DNA recombinante, ou expressão
heteróloga. Ogene de interesse é amplificado por técnica de PCR
e, depois, é ligado a uma molécula de DNA, que está em uma
célula hospedeira. Frequentemente, a E. coli é usada como célula
hospedeira por ter seu genoma conhecido.
Desta forma, o gene é inserido em um plasmídeo, o qual é
formado por moléculas circulares de DNA de fita dupla (dsDNA)
que ocorrem naturalmente em bactérias. Esses plasmídeos
conferem às células hospedeiras vantagens, como resistência a
antibióticos.
Nesse contexto, o DNA inserido no plasmídeo será replicado,
quando a bactéria se replicar, juntamente com o plasmídeo
contendo o gene de interesse. Em biotecnologia, chamamos a
bactéria que carrega o plasmídeo de hospedeira. Já o plasmídeo,
chamamos de vetor.
Para inserir um gene no vetor, usamos as enzimas de restrição.
Nesse processo, o gene será inserido em um lugar específico no
vetor, o qual é chamado de sítios de restrição (múltiplos sítios de
clonagem). A replicação do plasmídeo irá gerar um grande
número de moléculas de DNA clonado. Assim, o DNA inserido é
o gene clonado.
Veja a figura abaixo, para entender melhor o processo:
Clonagem de gene pela técnica de DNA recombinante.Cloning
vector (vetor de clonagem), Foreign DNA (DNA exógeno), Ends of
vector and foreign DNA fragmente annel and are mixed with DNA
ligase,  (vetor e o DNA exógeno são misturados a DNA ligase, para
formar o DNA circular) e Recombinant DNA (DNA recombinante).
As enzimas de restrição irão cortar o DNA do plasmídeo e do
gene que se deseja inserir em locais específicos, de 4 a 8 pb,
chamadas sítios de restrição. O gene será inserido no plasmídeo
do sítio onde foi cortado com a enzima de restrição. Logo, o
plasmídeo recombinante, agora com o gene clonado inserido no
sítio de restrição, pode expressar esse gene.
Veja na imagem o esquema do DNA circular de um plasmídeo
contendo os sítios de restrição onde se pode inserir o DNA
exógeno:
Vetor para clonagem de genes.pBR322 (nome comercial do
plasmídeo), Sítios de restrição ClaI, HindIII, BamH1, Sal1, PuvuII Pst1,
PvuI EcoRI, Resistência a antibiótico gene amp (ampicilina), gene tet
(tetraciclina), Ori (origem replicação) e rop (gene responsável pelo
número de cópias do plasmídeo).
Vamos entender melhor. O DNA do plasmídeo e do DNA que
foram amplificados por PCR para clonagem devem ser cortados
com a mesma enzima de restrição. Assim, o DNA plasmidial e o
DNA exógeno serão ligados um ao outro com uso da DNA ligase.
As enzimas de restrição podem gerar pontas coesivas, ou cegas,
mas o DNA ligase pode ligá-las independentemente do tipo de
ponta gerada. Vamos voltar a imagem.
O plasmídeo esquematizado é o pBR322, nome comercial dessa
substância. Hoje, esses plasmídeos são construídos, a fim de
atender às várias necessidades de expressão gênica. A principal
característica dos plasmídeos construídos é possuir sítios de
restrição para as endonucleases (enzimas que cortam o DNA).
Além de conferir à bactéria hospedeira resistência a antibióticos,
esses vetores permitem a inserção de 10Kb. Para segmentos de
genoma humano, são usados vetores que permitam a inserção de
1 Mb. Esses vetores são produzidos artificialmente, os chamados
BACs (LODISH et al., 2014; JOHNSON et al., 2017). Após
clonagem do gene no vetor, ele precisa ser introduzido em uma
célula hospedeira. Vamos entender como isso funciona.
Transformação Bacteriana
O DNA recombinante deve ser inserido dentro de uma bactéria
hospedeira para que ocorra a expressão do gene exógeno.
Quando o DNA recombinante é colocado junto às células
hospedeiras, elas podem capturar esse DNA plasmidial em um
processo conhecido como transformação. A transformação é
induzida por meio de componentes químicos (cloreto de cálcio),
ou por choque térmico (LODISH et al., 2014; JOHNSON et al.,
2017). Esse processo possibilita a entrada do DNA recombinante
dentro da célula hospedeira. Veja na imagem abaixo o esquema
dessa inserção do DNA recombinante em uma célula hospedeira.
Transformação bacteriana.E. coli (E.
coli), Plasmid (plasmídeo), Restriction sites (sítios de
restrição), Recombinant plasmid (plasmídeo recombinante), the
bacteria reproduce (a bactéria se replica) e bacterial cells carrying
copies of the foreingn gene (células bacterianas carregando cópias do
DNA exógeno).
Durante a replicação da célula hospedeira, enzimas dessa última
replicam o plasmídeo. Isso é possível, porque os plasmídeos
(vetores de clonagem) possuem uma origem de replicação (ORI).
Após iniciada a replicação na origem do plasmídeo, ela irá
continuar ao longo do cromossomo plasmidial, independente da
sua sequência de nucleotídeo.
Assim, o DNA inserido também será replicado. Durante a divisão
celular bacteriana, cópias do DNA plasmidial também serão
distribuídos às células filhas, permitindo a multiplicação
contínua dos plasmídeos para as células hospedeiras (LODISH
et al., 2014; JOHNSON et al., 2017).
Assim, as células que incorporaram o DNA exógeno carregado
pelo plasmídeo serão selecionadas pelo uso de antibióticos. As
bactérias que não incorporaram o DNA plasmidial contendo o
gene de resistência a antibiótico irão morrer. Volte a imagem do
vetor para clonagem. Na seleção das bactérias contendo o DNA
exógeno, devem ser usados os antibióticos ampicilina e
tetraciclina. Bactérias que não tiverem o vetor pBR322 irão
morrer.
Já as bactérias contendo os plasmídeos com resistência ao
antibiótico formam colônias de várias bactérias, as quais
possuem o gene clonado. A presença do gene clonado será
confirmada agora. Essa confirmação se dá pelo isolamento do
plasmídeo dessas bactérias. Após o isolamento (retirada dos
plasmídeos de dentro da célula hospedeira), esse plasmídeo
pode ser usado como molde para amplificação do gene clonado
pela técnica de PCR. Geralmente, após amplificação do
fragmento por PCR, esse pode ter seu tamanho verificado por
eletroforese. Adicionalmente, o sequenciamento do gene
também é realizado para se ter certeza de que não houve
nenhuma mutação (LODISH et al.; 2014; JOHNSON et al.,
2017).
A transformação bacteriana é muito usada em biotecnologia.
Ademais, existem diversos tipos de plasmídeos no mercado,
sendo que cada um foi montado para diversas aplicações.
Quando se deseja produzir uma proteína em grandes
quantidades, por exemplo, pode-se usar plasmídeo que contenha
um promotor de bacteriófago (vírus bacteriano). Um exemplo
desse tipo de promotor é o conhecido T7.
Os plasmídeos contendo o promotor T7 também codificam uma
RNA polimerase de bacteriófago. Quando esse plasmídeo é
transformado em uma E. coli, ele codifica a própria RNA
polimerase, que reconhece o promotor T7, e efetivamente
diminui a transcrição de genes próprios da E. coli, promovendo
uma super expressão dos genes que foram clonados sob o
controle do promotor T7 (MADIGAN et al., 2004; LODISH et al.,
2014). Essa é uma estratégia muito usada para expressão em
procariotos.
No entanto, para a expressão de genes eucarióticos, outros
vetores são necessários. Vamos ver alguns deles.
Vetores para Clonar Genes Eucarióticos
Os genes eucarióticos são maiores que os procarióticos, por isso,
para clonar genes como aqueles, outros vetores são necessários.
Dentre os organismos mais utilizados para isso, estão as
leveduras Saccharomyces cerevisiae. Essa levedura é um dos
poucos eucariotos que possuem plasmídeo circular, conhecido
como 2 mícrons (2µm) por causa do seu tamanho. As leveduras
são importantes no estudo de genes. Além disso, a clonagem
usando leveduras possuem também importância comercial
(MADIGAN et al., 2004; LODISH et al., 2014).
Os vírus também podem ser usados como vetores para clonagem
de genes de eucariotos superiores (plantas e animais). Um
exemplo disso é o vírus de DNA SV40, o qual causa tumor em
primatas, mas tem sido usado como vetor, a fim de introduzir
genes em cultura de tecidos humanos. Para isso, um vírus
modificado SV40 foi desenvolvido, não para induzir tumor, mas
para ser empregadopara clonagem de genes de mamíferos
principalmente.
Uma grande variedade de vetores para expressão de genes
eucarióticos tem sido desenvolvida. Um exemplo é o vetor
derivado do vírus Baculovirus (baculovirus vector). Esse sistema
de expressão permite que o DNA do vírus se replique dentro da
célula, produzindo grande quantidade dos produtos dos genes
clonados. Desta forma, ele pode ser usado para produção de
proteínas de interesse comercial, como interleucina 2, assim
como para o desenvolvimento de vacinas, de tratamentos
terapêuticos, de proteínas usadas em diagnósticos e de estudos
clínicos (MADIGAN et al., 2004, JOHNSON et al., 2017).
O uso de vetores para clonagem em plantas também é possível.
Essa tecnologia permite o melhoramento de plantas, com o
intuito de atender as necessidades de alimento de uma
população cada vez maior. Vamos ver um pouco como isso
funciona.
Vetores para Clonagem em Plantas
O melhoramento de plantas também é possível por meio do uso
do DNA recombinante. Nesse melhoramento, elas são
modificadas in vitro e o DNA de um gene que irá lhes fornecer
vantagem é incorporado. Nesse processo, a planta que
incorporou o DNA exógeno é dita como transformada. A
transformação pode ser feita por uso de abertura de poros por
meio elétrico (eletroporação), ou pelo uso de vetores.
No caso de ser um vetor, o mais comumente empregado é o
plasmídeo da bactéria Agrobacterium tumefaciens. Ela contém
um plasmídeo chamado Ti plasmídeo (de tumor inducing), o
qual é responsável pela virulência. Esse plasmídeo causa
aparecimento de tumores em plantas. O plasmídeo Ti possui
uma origem de replicação e também um tipo incomum de
aminoácido, as opinas.
A infecção por essa bactéria ocorre naturalmente em plantas,
mas veio a ser usada como ferramenta na transformação desses
organismos. Somente uma parte do plasmídeo é transferido para
a planta. Ele contém uma sequência chamada de T-DNA. Essa
sequência do final do T-DNA é essencial para a inserção do
fragmento do DNA do gene que será clonado. Logo, para
selecionar a planta contendo o DNA de interesse, foi necessário
inserir no plasmídeo Ti uma resistência a antibiótico.
Além disso, uma A. tumefaciens modificada foi necessária, a fim
de possuir o gene desarmado para virulência. Essa bactéria
modificada não causa doença na planta e, agora, pode transferir
o gene de interesse. Por fim, o DNA clonado é transferido para
a A. tumefaciens com gene D-Ti (disarmed) (ZAHA et al., 2014).
Veja a imagem abaixo com o esquema da transformação das
plantas.
Transfer of T-DNA into plant cell from Agrobacterium. This bacterium
is a natural genetic engineer, that can the insertion of a small segment
of DNA from a plasmid, into the plant cell. genetic transformation.
pathogenic bacterium Agrobacterium is the causative agent of crown
gall disease on a plants.
A planta agora transformada precisará recombinar o DNA
clonado com o seu cromossoma para que ela expresse esse gene
e possa ter a nova característica desejada (MADIGAN et al.,
2004).
As características inseridas são, por exemplo, resistência a
herbicidas, resistência a vírus, ou a insetos, e aumento de
produtividade. Esse é um exemplo de uso de biotecnologia, a fim
de produzir organismos geneticamente modificados, ou OGMs.
A seguir, iremos entender melhor o que isso significa.
4. Organismos Geneticamente
Transformados
Os organismos geneticamente modificados, OGMs, podem ser
gerados in vitro, como as plantas que acabamos de ver. Quando
os genes inseridos são de outros organismos (vírus, bactérias e
outras plantas), chamamos os organismos que receberam os
genes de organismos transgênicos.
Existem ainda os organismos cisgênicos, que são aqueles
gerados por manipulação genética, da mesma forma que os
transgênicos são formados. No entanto, o gene introduzido
pertence a outras espécies que poderiam ser cruzadas
naturalmente, ou seja, espécies sexualmente compatíveis.
As plantas resultantes da cisgenia são semelhantes àquelas que
resultam de cruzamentos tradicionais. Os efeitos desejados
introduzidos variam de aumento na sua capacidade de produção,
resistência a stress, até modificação de vias metabólicas, com a
finalidade de aumentar o valor nutricional (LODISH et al.,
2014).
O uso de plantas transgênicas gera muitas discussões. No
entanto, um levantamento feito em 2017 aponta que o Brasil está
entre os países da América Latina responsáveis pelo cultivo de
42% de plantas transgênicas no âmbito mundial. Entre essas
plantas, está o cultivo de soja. Leia um pouco mais sobre esse
assunto tão atual neste artigo que separamos para você:
Nesse contexto, existem diversos vetores usados para a
expressão de DNA recombinante, os quais geram organismos
geneticamente modificados (ZAHA et al., 2014).
Assim, o domínio das técnicas de clonagem e de modificação
genética permite uma variedade de OGMs. Veja no vídeo abaixo
exemplos de mosquitos geneticamente modificados destinados
ao combate de epidemias:
Leia sobre a situação global dos cultivos
biotecnológicos/GM comercializados em 2017 clicando
aqui.

Organismos podem ser geneticamente modificados,
para combater epidemias. Descubra como assistindo ao
vídeo abaixo:

O uso da biotecnologia para combater epideO uso da biotecnologia para combater epide……
http://www.isaaa.org/resources/publications/briefs/53/executivesummary/pdf/B53-ExecSum-Portuguese.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=t4dwOgCZ1R4
Vimos até aqui clonagem de genes. Em seres eucariotos, toda vez
que um determinado tipo de célula passa por mitose, ela
também gera um clone de sua própria célula. Nesse viés, as
células-tronco também podem gerar clones de si, ou se
diferenciar em linhagens distintas de células. Sobre isso, vamos
entender como as células-tronco funcionam a seguir.
5. Células-Tronco
Células-tronco, ou células embrionárias pluripotentes, são
células indiferenciadas. Elas são consideradas pluripotentes,
porque são capazes de se transformar em qualquer célula,
podendo vir a desempenhar inúmeras funções em diferentes
partes do corpo.
A maioria das células do corpo são células já diferenciadas, as
quais podem servir apenas a um propósito específico em um
órgão específico. Por exemplo, os glóbulos vermelhos são
projetados especificamente para transportar oxigênio através do
sangue. Nesse estágio, já perderam a característica de poderem
se diferenciar em outra célula, que não seja para o transporte de
oxigênio, por exemplo, sendo chamadas de células somáticas.
Apesar de todas as células do corpo possuírem o mesmo
genoma, quando essas células já estão diferenciadas, elas só irão
expressar os genes que manterão ativo o metabolismo celular do
seu tipo de célula (os genes conhecidos como house keeping).
Outros genes serão mantidos silenciados (LODISH et al., 2014).
Já as células-tronco dão origem às células diferenciadas.
Nesse caso, elas são conhecidas como células progenitoras e vão
dar origem a múltiplos tipos de células, sendo multipotentes.
Uma célula do sangue pode gerar outros tipos de célula
sanguínea, ou várias células do seu mesmo tipo. Já as células-
tronco não são diferenciadas, não expressam proteínas
específicas das células descendentes. Além disso, o número de
células-tronco varia durante o tempo de vida.
As duas propriedades mais importantes que distinguem células-
tronco de células diferenciadas é que as primeiras podem se
reproduzir indefinitivamente, ou seja, a autorrenovação. E a
outra propriedade é a de formar uma célula filha, mas com
propriedade de autorrenovação mais restritiva. Além disso, uma
característica importante das células-tronco é que elas precisam
de um nicho. Nesse nicho, elas recebem hormônios, a fim de
manter a característica de células-tronco. Aliás, existem algumas
delas, como as do intestino, que estão sempre se dividindo. Um
outro tipo de célula-tronco importante são as que formam a
linhagem germinativa, a exemplo dos oócitos e dos
espermatozoides(LODISH et al., 2014; JOHNSON et al., 2017).
Após a fertilização, o oócito fertilizado não permanece em uma
célula única por muito tempo, iniciando o processo de
diferenciação. Após algumas divisões, essa célula produz a
mórula. A mórula continua a se dividir e alcança o estágio
embrionário chamado blastocisto. Nesse estágio, aparecem o
trofectoderma (TE), que forma tecidos extraembrionários, como
a placenta, sendo responsável pela implantação do embrião, e a
massa celular interna (MCI), a qual forma o embrião
propriamente dito. Assim, as células-tronco podem ser isoladas
da massa celular interna, constituindo as células-tronco
embrionárias (LODISH et al., 2014; JOHNSON et al., 2017).
Veja a imagem abaixo, para entender melhor o que são células-
tronco embrionárias.
Stem cell cultivation. In Vitro Fertilization of the egg by a sperm
outside the body. After several days they develop
into undifferentiated stem cells.
Células-tronco embrionárias de mamíferos podem crescer
indefinidamente, quando ligadas a uma camada de suporte
celular, conforme visto na placa da figura acima.
O destino de uma célula no embrião inicial, trofectoderma (TE),
ou massa celular interna (MCI), é determinado pela sua
localização. O seu nicho vai especificar qual o tipo de célula que
ele será. Tanto as células MCI, quanto as TE começam suas
próprias linhagens distintas, dividindo-se, para produzir
diferentes populações de células (LODISH et al., 2014). Células
que podem se diferenciar em um grande número de tipos
celulares das três camadas germinativas primárias tanto in vitro,
quanto quando inseridas em um embrião são chamadas de
pluripotentes.
As células-tronco pluripotentes da massa celular interna formam
agregados multicelulares, chamados corpos embrióides, que se
assemelham a embriões precoces. Esses geram uma variedade de
tecidos que são formados, quando são mantidos em cultura em
suspensão. Quando esses corpos embrióides são transferidos
para uma superfície (placa para cultivo) onde podem se aderir,
eles dão origem a diferentes tipos de células. Assim, eles
preenchem a placa onde estão com vários tipos celulares
diferenciados, como epitélio de intestino, cartilagem e células
neurais. Essas células podem ser induzidas, com o intuito de
formar células somáticas e, nesse caso, são chamadas de células-
tronco pluripotentes induzidas.
Esse conhecimento tem sido usado, para induzir as células-
tronco embrionárias a se diferenciarem em precursores para
vários tipos de células, como as do sangue e epitélio pigmentado
(LODISH et al., 2014). Sobre isso, imagine que essas células
poderiam ser usadas, com o intuito de restaurar tecidos.
Desta forma, a engenharia de tecidos poderia gerar órgãos
prontos para transplante, a fim de tratar uma variedade de
doenças debilitantes, a exemplo da diabetes, ou da doença de
Parkinson. Contudo, uma das principais barreiras para a
realização desse enorme potencial é a falta de fontes renováveis
de células para transplante. As células-tronco embrionárias e as
células-tronco pluripotentes induzidas têm o potencial de
fornecer essa fonte de células, devido à sua capacidade de se
diferenciar em todas as células somáticas e à sua capacidade
proliferativa aparentemente ilimitada (LODISH et al., 2014;
JOHNSON et al., 2017).
No entanto, o uso das células-tronco embrionárias está ligado a
questões éticas. Em relação a isso, assista ao vídeo abaixo, para
entender um pouco quais seriam as questões envolvidas no uso
de células-tronco embrionárias.
Com a pandemia do coronavírus (COVID19), pesquisadores
estão desenvolvendo um projeto piloto com células-tronco, para
ajudar pacientes acometidos por essa doença. Acerca desse fato,
descubra como eles fazem isso lendo o texto que separamos para
você.
As células-tronco adultas possuem importantes aplicações na
biotecnologia. Adiante, vamos entender o quanto elas são
importantes.
Células-Tronco Adultas
Assista ao vídeo, para entender as questões envolvendo
células-tronco e a bioética

Células-tronco - BioéticaCélulas-tronco - Bioética
Células-tronco utilizadas em estudo no combate a
COVID19.
Para ler, clique aqui.

https://www.youtube.com/watch?v=jHvOYt5-oNY
https://agenciabrasil.ebc.com.br/saude/noticia/2020-06/celulas-tronco-sao-usadas-em-estudo-para-combater-covid-19
As células-tronco, de maneira geral, são capazes de se renovar,
podendo gerar vários tipos de células. Ao contrário das células-
tronco embrionárias, que são definidas por sua origem (a massa
celular interna do blastocisto), as células-tronco adultas não
compartilham esses meios definitivos de caracterização. De fato,
ninguém sabe a origem das células-tronco adultas. Os cientistas
acreditam que elas são, de alguma maneira, deixadas de lado
durante o desenvolvimento fetal e impedidas de se diferenciar
(LODISH et al., 2014; JOHNSON et al., 2017).
Hoje, há novas evidências de que as células-tronco estão
presentes em muito mais tecidos e órgãos do que se pensava e
que essas células são capazes de se desenvolver em mais tipos de
células do que se imaginava anteriormente. Essas são as
chamadas células-tronco adultas (LODISH et al., 2014). Os
cientistas estão elaborando tratamentos novos e mais eficazes
para uma série de doenças e deficiências a partir do
aproveitamento de células-tronco adultas. O que está à frente
para o uso delas é desconhecido, mas é certo que existem muitas
questões de pesquisa a serem respondidas, sendo que essas
respostas serão uma grande promessa para o futuro.
Assista ao vídeo, para entender um pouco mais sobre células-
tronco.
Entenda um pouco sobre as células-tronco.

As células-tronco adultas, como todas as células-tronco,
compartilham pelo menos duas características. Primeiro, elas
podem fazer cópias idênticas de si, mesmo por longos períodos
de tempo. Essa capacidade de proliferar é chamada de
autorrenovação a longo prazo. Segundo, elas podem dar origem
a tipos de células maduras que possuem morfologias
características (formas) e funções especializadas.
Normalmente, as células-tronco geram um tipo, ou tipos de
células intermediárias antes de atingirem seu estado totalmente
diferenciado. A célula intermediária é chamada de célula
precursora, ou progenitora. As células progenitoras, ou
precursoras nos tecidos fetais, ou adultos são células
parcialmente diferenciadas que se dividem e dão origem a
células diferenciadas. Tais células são, geralmente, consideradas
como “comprometidas” com a diferenciação ao longo de uma
determinada via de desenvolvimento celular, embora essa
característica possa não ser tão definitiva (LODISH et al., 2014).
Veja a imagem abaixo, para entender como as células-tronco
podem gerar uma variedade de outras células.
CÉLULAS TRONCOCÉLULAS TRONCO
https://www.youtube.com/watch?v=byj6POoa7Ao
Stem Cell Applications diagram illustration
As células-tronco adultas também devem ser clonogênicas. Em
outras palavras, uma única célula-tronco adulta deve ser capaz
de gerar uma linha de células geneticamente idênticas, o que dá
origem a todos os tipos celulares apropriados e diferenciados do
tecido em que reside.
Além disso, para serem células-tronco adultas, elas devem
apresentar duas características principais: possuir morfologia
celular apropriada e demonstrar que os tipos celulares
diferenciados resultantes dessa célula exibem marcadores de
superfície que os identificam como pertencentes ao tecido onde
foram isoladas.
As células-tronco nos tecidos adultos podem gerar os tipos
celulares especializados de outro tipo de tecido no qual
normalmente residem, um tecido derivado da mesma camada
germinativa embrionária, ou de uma camada germinativa
diferente. Por exemplo, as células-tronco do sangue (derivadas
do mesoderma) podem gerar músculos esqueléticos (também
derivados do mesoderma) e neurônios (derivados do ectoderma)
(LODISH et al., 2014).
Mas qual a aplicação desse conhecimento na biotecnologia?
Para qualquercondição de doença, existem duas abordagens
possíveis para o tratamento. As que aliviam, ou que suprimem a
condição da doença, sendo que ambas são as opções disponíveis
mais difundidas para a maioria das enfermidades.
O primeiro tipo de tratamento é frequentemente aplicado na
forma de medicamentos (químicos, ou biológicos) com, ou sem
intervenção cirúrgica. O segundo tipo de abordagem seria o de
reverter a situação patogênica para o estado normal, ou original.
Essa segunda opção é rara, aplicável a poucas doenças em que os
medicamentos não podem melhorar a situação e não são capazes
de restaurar, ou regenerar a função normal do tecido, ou órgão
danificado.
Nesse contexto, remédios regenerativos são comumente
aplicados por meio da terapia com células-tronco e, em certa
medida, por transplante de órgãos. As células-tronco podem ser
consideradas as arquitetas de todas as unidades estruturais e
funcionais do nosso corpo e, por isso, são a maior esperança
para muitas doenças incuráveis, como diabetes, doenças
cardíacas, Parkinson, Alzheimer e outras doenças
neurodegenerativas, trauma relacionado a lesões de medula
espinhal, doenças degenerativas da retina, Esclerose Lateral
Amiotrófica (ELA) e outras.
Essas células, dependendo de sua natureza de origem, podem se
diferenciar em muitos tipos específicos de células maduras, a fim
de reconstruir o tecido e restaurar a saúde. Apesar de elas
estarem presentes nas fases da vida embrionárias, fetais e
adultas, as células-tronco adultas são as permitidas para
utilização terapêutica.
Inclusive, a terapia com células-tronco é amplamente utilizada
na clínica, a fim de curar malignidades hematológicas. No
entanto, para muitas outras doenças terríveis que ameaçam a
vida, esse tipo de terapia ainda está em fase experimental e
requer um grande esforço para trazê-las à prática clínica
(LODISH et al., 2014).
Com a intenção de viabilizar o uso de células-tronco na
medicina, muitos cientistas têm se dedicado ao seu estudo.
Podemos destacar o trabalho do pesquisador Shinya Yamanaka,
o qual publicou resultados em uma revista científica reconhecida
mundialmente (Nature). Ele provou que as células-tronco
adultas poderiam ser reprogramadas para o estado de
pluripotência (ou seja, fazer com que essas células voltassem a
ser células-tronco embrionárias).
Esse cientista inseriu no genoma de retrovírus uma grande
variedade de fatores de transcrição, individuais, ou em
combinação. Fatores de transcrição são reguladores de
expressão gênica que regulam normalmente mais de um gene de
uma vez. Os retrovírus foram os vetores usados, com o intuito de
introduzir os fatores de transcrição dentro das células-tronco já
adultas. Assim, as células-tronco adultas foram cultivadas
juntamente com os retrovírus, fazendo com que elas fossem
reprogramadas, tornando-se pluripotentes, nesse caso,
induzidas (IPS), similar ao de células-tronco embrionárias
(LODISH et al., 2014). Assista ao vídeo, para entender quais as
aplicações terapêuticas possíveis usando as células IPS.
Entenda um pouco sobre as células-tronco induzidas e
as possíveis aplicações na medicina.

Os estudos com as células-tronco levaram a clonagem de
organismos. Vamos ver como um organismo pode ser clonado.
Clonagem de Organismos
Embora todas as células de um organismo pluricelular possuam
o mesmo genoma, durante o desenvolvimento embrionário e a
diferenciação celular, alguns genes acabam sendo silenciados,
por mecanismos diversos, tais como a metilação.
No entanto, foi comprovado que muitas células somáticas
possuem o genoma intacto equivalente aos das células-tronco
embrionárias. Essas células somáticas com essa característica
especial permitem a clonagem de organismo, como no caso da
ovelha Dolly. Esse procedimento é chamado de transferência
nuclear de células somáticas (TNCS). 
Nessa técnica, o núcleo de uma célula somática adulta é
introduzido em um óvulo, de onde o núcleo tenha sido removido.
A retirada desse núcleo é importante, porque esse óvulo não
carrega mais a informação genética de quem o gerou. Agora, o
oócito recebe o núcleo de uma célula adulta. Essa célula
somática adulta irá conter todo o genoma.
Esse oócito manipulado passa a conter o número diploide de
cromossomos, sendo equivalente a um zigoto. Esse zigoto é o
clone do organismo de onde a célula somática foi retirada.
Geneus - Soluções em Medicina PersonalizaGeneus - Soluções em Medicina Personaliza……
https://www.youtube.com/watch?v=tnb5zRJ9TwU
Assim, esse zigoto é implantado em uma mãe adotiva. A única
fonte de informação genética para guiar o desenvolvimento do
embrião é o genoma nuclear da célula somática doadora
(MADIGAN, et al., 2004; LODISH et al., 2014). Veja a imagem a
seguir, para entender como foi possível clonar a ovelha Dolly.
Depois dessa técnica ter sido realizada pela primeira vez,
especialistas têm aliado o uso das técnicas do DNA
recombinante e da transferência nuclear de células somáticas
(TNCS) com a transferência nuclear de células somáticas para
geração de clones de animais.
Genes selecionados previamente em laboratórios têm sido
introduzidos, com o intuito de melhorar as características dos
animais, fazendo com que eles sejam mais interessantes
comercialmente. Esses animais, por carregarem DNA exógeno a
eles, são conhecidos como animais transgênicos. Eles também
têm sido importantes para o entendimento da regulação de
genes no desenvolvimento biológico. Um dos importantes
aspectos dessa tecnologia é a geração de animais com resistência
a doenças e aumento de produtividade.
Além disso, eles também têm outras aplicações, como, por
exemplo, produção de proteínas humanas que requerem
modificações pós-traducionais para possuírem atividade. Muitas
dessas proteínas não podem ser produzidas por plantas, ou por
outros vetores (bactérias, leveduras e vírus).
Algumas dessas proteínas produzidas por esses animais
transgênicos podem ser projetadas para serem secretadas no
leite, por exemplo, para sua posterior recuperação e uso. Um
exemplo desse tipo de proteína é a α-1-anti-tripsina. Ela é usada
no tratamento de doenças do pulmão, sendo produzida de forma
transgênica por ovelhas (MADIGAN, et al., 2004; LODISH et al.,
2014).
No entanto, existem fatores, como a baixa eficiência de se
produzir animais clonados por TNCS, além da alta frequência de
doenças, como obesidade, ou falta de membros desses animais,
que geram polêmicas éticas.
Inclusive, as mesmas técnicas poderiam ser usadas, com o
intuito de produzir clones humanos. Porém, devido a questões
éticas, a clonagem humana tem sido proibida mundialmente.
6. Conclusão
Esse tópico procurou mostrar que a biotecnologia emprega a
ciência da vida, a biologia, e a tecnologia, a fim de desenvolver
produtos em diversas áreas, sejam elas a microbiologia, a
biologia molecular, a bioquímica, a ecologia, a agricultura, a
reprodução, ou a genética. Como resultado, a biotecnologia está
inserida no nosso cotidiano, melhorando a qualidade de vida.
A biotecnologia permite também a clonagem de genes. Os
cientistas usam a clonagem de gene, a fim de entender, a
princípio, como ele funciona in vivo. Assim, a tecnologia do DNA
recombinante permite clonar uma molécula de DNA em um
plasmídeo. O gene clonado é inserido em um outro organismo,
como a bactéria. Por isso, essa técnica é conhecida como DNA
recombinante, ou expressão heteróloga. Em biotecnologia,
chamamos a bactéria que carrega o plasmídeo de hospedeira e o
plasmídeo de vetor. Nesse contexto, o DNA plasmidial pode ser
capturado por uma célula hospedeira em um processo conhecido
como transformação.
Além disso, vimos que os genes eucarióticos são maiores que os
procarióticos, por isso, para clonar genes como esses, outros
vetores são necessários. Dentre os vetores mais utilizados, estão
os das leveduras Saccharomyces cerevisiae. No entanto, alguns
vírus, como o de DNA SV40, também podem ser empregados.
O melhoramento deplantas também é possível pelo uso do DNA
recombinante. Nesse melhoramento, plantas são modificadas in
vitro e o DNA de um gene que irá fornecer vantagem àquelas é
incorporado. Nesse processo, as plantas que incorporaram o
DNA exógeno são ditas como transformadas. O vetor usado
frequentemente para isso é o da bactéria Agrobacterium
tumefaciens. Essa bactéria contém um plasmídeo chamado DTi
plasmídeo usado para clonagem. Essas plantas que carregam um
DNA exógeno são chamadas de organismos geneticamente
modificados, ou ainda GMOs.
Na manipulação genética, quando se inserem os genes de outros
organismos (vírus, bactérias e outras plantas), aqueles que os
recebem são chamados de organismos transgênicos. Existem
ainda os organismos cisgênicos, que são aqueles gerados por
manipulação genética, da mesma forma que são formados os
transgênicos. Contudo, o gene introduzido pertence a outras
espécies que poderiam ser cruzadas naturalmente, ou seja,
espécies sexualmente compatíveis.
O domínio das técnicas de clonagem e modificação genética
permite uma variedade de GMOs. Mas, o uso deles deve ser
permitido pelos comitês de ética.
Além disso, as células-tronco embrionárias podem gerar clones
de si próprias, diferenciando-se em linhagens distintas de
células. As células-tronco, ou células embrionárias pluripotentes
são células indiferenciadas, as quais são capazes de se
transformar em qualquer célula, podendo vir a desempenhar
inúmeras funções em diferentes partes do corpo. No entanto, a
utilização de células-tronco embrionárias está ligada a questões
éticas.
As células-tronco adultas também devem ser clonogênicas. Em
outras palavras, uma única célula-tronco adulta deve ser capaz
de gerar uma linha de células geneticamente idênticas. Ademais,
as células-tronco adultas podem ser reprogramadas para o
estado de pluripotência. Essas células somáticas com
característica de pluripotência permitem a clonagem de
organismo, como no caso da ovelha Dolly. Esse procedimento é
chamado de transferência nuclear de células somáticas (TNCS).
Por fim, vimos que animais podem ter o seu genoma manipulado
pela técnica do DNA recombinante aliada à técnica de
transferência nuclear, sendo conhecidos como animais
transgênicos. Eles podem ser empregados para a produção de
proteínas humanas que requerem modificações pós-
traducionais. O uso de células-tronco e animais transgênicos
ainda levanta muitas questões éticas importantes.
7. Referências
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para combater a COVID19. 2020.
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LODISH, Harvey F. et al. Biologia celular e molecular. 7.ed.
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03min58.
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YouTube. (2013). Geneus – Soluções em Medicina
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Alegre: Artmed, 2014. 407 p. ISBN 978-85-8271-058-6.
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