Biotecnologia e DNA Recombinante Conteudo com resposta exercicio

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<p>Biotecnologia e DNA Recombinante</p><p>Apresentação</p><p>Por centenas de anos, as pessoas têm consumido alimentos que são produzidos pela ação de micro-</p><p>organismos. Pão, chocolate e molho de soja são alguns dos exemplos mais conhecidos. Mas foi</p><p>somente há pouco mais de 100 anos que os cientistas demonstraram que os micro-organismos são</p><p>responsáveis por estes produtos.</p><p>Este conhecimento abriu o caminho para o uso de micro-organismos na manufatura de outros</p><p>produtos importantes. Desde a Primeira Guerra Mundial, os micróbios têm sido usados para</p><p>produzir uma variedade de substâncias químicas, como o etanol, a acetona e o ácido cítrico. Desde</p><p>a Segunda Guerra Mundial, os micro-organismos têm sido cultivados em larga escala para produzir</p><p>antibióticos.</p><p>Nessa Unidade de Aprendizagem, teremos mais detalhes sobre este processo, que envolve</p><p>características de biotecnologia e de DNA recombinante.</p><p>Bons estudos.</p><p>Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:</p><p>Diferenciar biotecnologia de tecnologia de DNA recombinante;•</p><p>Determinar os critérios de escolha de um vetor;•</p><p>Demonstrar a importância clínica de tais técnicas.•</p><p>Desafio</p><p>A tecnologia de DNA recombinante possibilita a utilização de micro-organismos com</p><p>características melhoradas ou até então não encontradas na natureza. Com base na tecnologia,</p><p>inúmeros produtos de utilidade humana são produzidos, dentre os quais, medicamentos.</p><p>Um dos exemplos de maior sucesso é a produção de insulina por meio de bactérias. Liste os micro-</p><p>organismos utilizados e os critérios empregados na escolha de tais micro-organismos para a</p><p>produção de insulina.</p><p>Dica: Consulte, também, os materiais do "Saiba mais".</p><p>Infográfico</p><p>A tecnologia de DNA recombinante pode ser conseguida de várias maneiras. Acompanhe a figura</p><p>ilustrativa dos métodos empregados nesta técnica.</p><p>Conteúdo do livro</p><p>A biotecnologia e as tecnologias de DNA recombinantes são de extrema importância para o dia-a-</p><p>dia moderno. No capítulo Biotecnologia e DNA Recombinante, da obra Microbiologia acompanhe</p><p>algumas das ferramentas utilizadas para a obtenção de tais técnicas.</p><p>Boa leitura.</p><p>MICROBIOLOGIA</p><p>Lisiane da Luz Rocha Balzan</p><p>Biotecnologia e DNA</p><p>recombinante</p><p>Objetivos de aprendizagem</p><p>Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:</p><p> Diferenciar biotecnologia de tecnologia de DNA recombinante.</p><p> Determinar os critérios de escolha de um vetor.</p><p> Demonstrar a importância clínica de tais técnicas.</p><p>Introdução</p><p>O ácido desoxirribonucleico (DNA) é a molécula que contém toda a</p><p>informação genética, sendo organizado nos cromossomos. Sua estrutura</p><p>e composição é estudada em diversos modelos moleculares. Cinquenta</p><p>anos após sua descoberta, o DNA ainda é extremamente estudado por</p><p>pesquisadores do mundo inteiro. Atualmente, é possível analisar toda</p><p>a sequência de nucleotídeos do genoma de um determinado agente,</p><p>como bactérias ou fungos, bem como o genoma humano em um curto</p><p>período de tempo. Além disso, possuímos diversas ferramentas para</p><p>análise molecular do conteúdo das fitas de DNA, seja de dupla-hélice</p><p>(genoma humano) ou circular (células procarióticas).</p><p>Neste capítulo, você vai aprender ferramentas de biologia molecular</p><p>utilizadas na manipulação do DNA e vai ver como diferenciar biotecno-</p><p>logia de tecnologia de DNA recombinante. Além disso, vai ver como</p><p>determinar os critérios de escolha de um vetor e demonstrar a impor-</p><p>tância clínica de tais técnicas, que são utilizadas em diversas áreas e são</p><p>marcadas por avanços na ciência.</p><p>Biotecnologia e tecnologia</p><p>de DNA recombinante</p><p>A molécula de DNA armazena todas as informações do indivíduo e se</p><p>trata de uma estrutura molecular com informações que compreendem no</p><p>material genético. A molécula de DNA é composta por duas cadeias deno-</p><p>minadas longas fi tas, dispostas em dupla-hélice ou circular. Suas cadeias</p><p>são compostas por quatro nucleotídeos: citosina (C), timina (T), adenina (A)</p><p>e guanina (G), conforme demonstrado na Figura 1. Sequências específi cas</p><p>desses quatro nucleotídeos codifi cam a informação presente nos genes. Nos</p><p>cromossomos, estruturas genéticas carregam o DNA compactado e várias</p><p>proteínas, que auxiliam o processo de armazenamento da extensa dupla-</p><p>-hélice, estão presentes milhares de genes (REECE et al., 2015). Diversas</p><p>ferramentas de biologia molecular têm contribuído para avanços na área da</p><p>saúde e também na agricultura. Para que você compreenda essas áreas de</p><p>aplicação, é preciso diferenciar o conceito de biotecnologia e tecnologia de</p><p>DNA recombinante.</p><p>A biotecnologia consiste na aplicação da ciência e tecnologia em diversas</p><p>áreas. Utiliza conceitos aplicados de biologia molecular para uso de microrga-</p><p>nismos modificados ou seus produtos com finalidade de melhoria de processos</p><p>ou aplicação de novas tecnologias.</p><p>Podemos citar os seguintes processos envolvendo a biotecnologia (KLUG</p><p>et al., 2010), como:</p><p> modificações genéticas de plantas, com o objetivo do melhoramento</p><p>de plantações agrícolas;</p><p> aumento de valor nutricional dos alimentos;</p><p> clonagem de rebanhos, impacto positivo na agropecuária;</p><p> realização de testes de doenças genéticas na medicina;</p><p> sintetização de moléculas na indústria farmacêutica.</p><p>Com o passar dos anos, cientistas desenvolveram técnicas moleculares</p><p>capazes de analisar os genes, separando moléculas de DNA — dessa forma, a</p><p>informação codificada na fita pode ser analisada e estudada. Foram desenvol-</p><p>vidas, assim, técnicas para sequenciamento e clonagem do material genético</p><p>(WATSON et al., 2015).</p><p>Biotecnologia e DNA recombinante2</p><p>A tecnologia do DNA recombinante consiste em experimentos de biologia</p><p>molecular na avaliação da expressão de determinados genes. O desenvolvimento</p><p>dessa tecnologia permitiu aos pesquisadores a habilidade de isolar, sequenciar</p><p>e manipular genes oriundos de qualquer tipo celular. Sua aplicação tem possi-</p><p>bilitado estudos moleculares detalhados na estrutura e função dos genes, revo-</p><p>lucionando o entendimento da biologia celular (COOPER; HAUSMAN, 2007).</p><p>As técnicas de manipulação do DNA em experimentos laboratoriais tiveram</p><p>um impacto imenso na ciência, pois permitiram estudos celulares e técnicas</p><p>moleculares jamais imagináveis há 20 anos. A aplicação da tecnologia do</p><p>DNA recombinante está sendo aplicada em diversas áreas, seja na avaliação</p><p>de um gene ou na produção de novas moléculas sintéticas, como a insulina</p><p>(ALBERTS et al., 2017).</p><p>Figura 1. Estrutura do DNA.</p><p>Fonte: Adaptada de Ody_Stocker/Shutterstock.com.</p><p>3Biotecnologia e DNA recombinante</p><p>A descoberta do DNA foi anunciada na revista inglesa Nature, de 25 de abril de</p><p>1953, considerada uma das mais importantes contribuições no campo da biologia.</p><p>A dupla-hélice, estrutura tridimensional da molécula de DNA, foi descoberta pelos</p><p>pesquisadores Francis Crick, James Watson e Maurice Wilkins, quando trabalhavam</p><p>em Cambridge, no Reino Unido.</p><p>Escolha de um vetor</p><p>Na aplicação das tecnologias de DNA recombinante, necessitamos de uma</p><p>grande quantidade de moléculas para estudos detalhados de avaliação da</p><p>estrutura e função de um gene. Para a obtenção de uma quantidade maior</p><p>de DNA, utilizamos técnicas de clonagem do material genético (LODISH et</p><p>al., 2014). Pesquisadores selecionam as sequências de DNA para estudo, mas</p><p>necessitam de números extremamente grandes de cópias idênticas (clones). O</p><p>vasto aumento no número de cópias resultante (amplifi cação) signifi ca que a</p><p>clonagem do DNA é, efetivamente, uma maneira de purifi car uma sequência</p><p>de DNA desejada de maneira que ela possa ser amplamente estudada (STRA-</p><p>CHAN; READ, 2013).</p><p>A metodologia da clonagem de um fragmento de DNA consiste na</p><p>escolha de um vetor, capaz de ligá-lo a molécula de material genético.</p><p>“Depois que uma única molécula de DNA recombinante, composta por</p><p>um vetor mais um fragmento de DNA inserido, é introduzida em uma</p><p>célula hospedeira, o DNA inserido é replicado juntamente com o vetor,</p><p>gerando um grande número de moléculas de DNA</p><p>idênticas” (LODISH</p><p>et al., 2014, p. 182) (Figura 2).</p><p>Biotecnologia e DNA recombinante4</p><p>Figura 2. Processo de duplicação do</p><p>DNA.</p><p>Fonte: adaptada de Watson et al. (2015).</p><p>O processo de clonagem de DNA envolve a escolha do vetor, que fornece</p><p>a informação necessária para propagar o DNA clonado na célula hospedeira</p><p>em divisão. No entanto, enzimas que clivam DNA em sequências especí-</p><p>ficas, chamadas enzimas de restrição, são fundamentais para a construção</p><p>de moléculas de DNA recombinantes (WATSON et al., 2015). Enzimas</p><p>de restrição são endonucleases de origem bacteriana. Cada uma consiste</p><p>em uma sequência específica de quatro a oito pares de bases que clivam o</p><p>DNA em mais de uma centena de sítios distintos de reconhecimento. Um</p><p>exemplo é a cepa de Escherichia coli RY13, que possui a endonuclease de</p><p>restrição EcoRI reconhecendo a sequência de seis pares de bases GAATTC.</p><p>5Biotecnologia e DNA recombinante</p><p>A escolha do vetor dependerá do fragmento do DNA-alvo a ser usado para</p><p>a construção da molécula de DNA recombinante e da finalidade do expe-</p><p>rimento. Contamos com os seguintes vetores para escolha: bacteriófagos,</p><p>plasmidiais, cromossômicos, virais, cosmídeos e cromossômicos (COOPER;</p><p>HAUSMAN, 2007). Na Figura 3, você pode acompanhar a ilustração do</p><p>processo de clivagem do DNA.</p><p>A seguir, vamos avaliar os tipos de vetores que podem auxiliar na escolha</p><p>do seu experimento (ALBERTS et al., 2017, COOPER; HAUSMAN, 2007,</p><p>KLUG et al., 2010).</p><p> Vetores de bacteriófagos: são utilizados para clonagem de DNA de</p><p>células eucarióticas. A molécula-alvo de DNA deve possuir em torno</p><p>de 20 quilobases (kb).</p><p> Vetores plasmidiais: mais simples de manipular em relação aos bacteri-</p><p>ófagos, são pequenas moléculas circulares de DNA de origem bacteriana</p><p>(Figura 3). A molécula-alvo de DNA deve possuir no máximo 10 kb.</p><p> Vetores virais: utilizados em ampla escala, retrovírus são vírus enve-</p><p>lopados com cerca de 7 a 11 kb. São utilizados devido à sua integração</p><p>estável com o DNA e podem ser utilizados em células eucarióticas e</p><p>procarióticas.</p><p> Vetores cosmídeos: união de partes do cromossomo com partes de</p><p>plasmídeos. São utilizados para clonagem de grandes fragmentos de</p><p>DNA e possuem aproximadamente 50 kb.</p><p> Vetores cromossômicos: utilizados para mapeamento e análise de</p><p>grandes fragmentos de DNA, aproximadamente 200 kb.</p><p>Na escolha da célula hospedeira, normalmente, a maioria das clonagens</p><p>utilizam bactérias, que se multiplicam rapidamente, pois, geralmente, pos-</p><p>suem um único cromossomo circular dupla-fita com uma única origem de</p><p>replicação (STRACHAN; READ, 2013). Existem cromossomos artificias</p><p>de levedura, como, por exemplo, YACs, que utilizam a célula hospedeira</p><p>de levedura, e o fragmento-alvo de DNA varia de 250 a 400 kb (ALBERTS</p><p>et al., 2017).</p><p>Biotecnologia e DNA recombinante6</p><p>Figura 3. Representação do plasmídeo e DNA recombinante.</p><p>Fonte: Designua/Shutterstock.com.</p><p>No Brasil, a Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio), Instrução Normativa</p><p>08/97, regulamenta os experimentos de clonagem. Ficam vedadas as atividades com</p><p>humanos de manipulação genética de células germinais ou totipotentes e experimentos</p><p>de clonagem radical a partir de qualquer técnica de clonagem.</p><p>A importância clínica das técnicas</p><p>O bacilo gram-negativo Haemophilus infl uenzae foi o primeiro organismo de</p><p>vida livre a ter sua sequência genômica determinada de forma completa. Foi</p><p>clonado a partir da utilização de um vetor plasmidial, uma vez que possui</p><p>um genoma compacto formado apenas por 1,8 milhão de pares de bases (Mb)</p><p>de DNA (menos de 1:1.000º do tamanho do genoma humano). O material</p><p>genético foi digerido em fragmentos aleatórios e, então, analisado (WATSON</p><p>et al., 2015).</p><p>Diversos estudos utilizam vetores virais em doenças causadas por genes</p><p>defeituosos e acredita-se que introduzindo uma cópia normal do gene defeituoso</p><p>pode-se induzir as células a trabalharem de maneira correta no momento certo.</p><p>Essa área de estudo chama-se terapia gênica e está avançando com o passar dos</p><p>anos (LODISH et al., 2014).</p><p>7Biotecnologia e DNA recombinante</p><p>Os sequenciadores, máquinas de sequenciamentos automatizados, possibili-</p><p>tam a análise do material genético em curto período de tempo. Os equipamentos</p><p>podem gerar mais de 200.000 nucleotídeos (200 kb) de sequências brutas de</p><p>DNA em poucas horas, contribuindo para os avanços na tecnologia de DNA</p><p>recombinante, bem como para estudos genéticos moleculares (WATSON et</p><p>al., 2015).</p><p>A produção de transgênicos desde 2009 atingiu 14 milhões de agricultores</p><p>em 25 países, que cultivaram plantas melhoradas geneticamente — mais de 90%</p><p>eram de pequenos produtores rurais de países em desenvolvimento. O maior</p><p>benefício da biotecnologia vegetal foram as plantas transgênicas resistentes</p><p>a insetos e tolerantes a herbicidas (JAMES, 2010).</p><p>A tecnologia de DNA recombinante trouxe grandes avanços para o estudo de</p><p>doenças genéticas. Os genes de doenças hereditárias, como anemia falciforme,</p><p>hemofilia e outros distúrbios metabólicos, foram clonados e avaliados, contri-</p><p>buindo para avaliação de um pré-natal adequado bem como para a condução</p><p>da doença. Estudos de avaliação do câncer também vêm sendo realizados,</p><p>e pesquisadores descobriram que o processo de genes defeituosos no câncer</p><p>colorretal em humanos é o mesmo processo detectado na Escherichia coli,</p><p>já que o gene envolvido é o mesmo encontrado na bactéria e em humanos.</p><p>Diversos estudos experimentais vêm sendo realizados a fim de compreender</p><p>como esse gene funciona e pode levar ao dano de células (KLUG et al., 2010).</p><p>Cientistas também descobriram uma região do genoma das bactérias caracte-</p><p>rizada pela presença de sequências de DNA curtas e repetidas, que atuam como</p><p>sistema de defesa de bactérias. Muito similar à proteção imune gerada pela vacina,</p><p>pedaços de DNA de vírus invasores são inseridos entre essas repetições, como se</p><p>fosse uma “memória” desses patógenos. As curtas sequências repetidas de DNA</p><p>estão presentes em uma determinada região do genoma das bactérias e são deno-</p><p>minadas CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats),</p><p>que se transformaram em uma ferramenta da engenharia genética utilizada para</p><p>editar genomas de várias espécies (ALBERTS et al., 2017; MADIGAN et al., 2016).</p><p>A tecnologia de DNA recombinante acelerou as pesquisas e trouxe maior</p><p>compreensão das doenças genéticas. O uso de modelos experimentais pode</p><p>gerar contribuições na área da alimentação, ciência e saúde, sendo, certamente,</p><p>uma grande contribuição para humanidade (KLUG et al., 2010).</p><p>Biotecnologia e DNA recombinante8</p><p>Diversas tecnologias de milho geneticamente modificado foram liberadas comer-</p><p>cialmente desde 2007 buscando, principalmente, o controle da lagarta-do-cartu-</p><p>cho, Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae). No estudo do link a seguir, você</p><p>pode observar a eficácia de milho transgênico tratado com inseticida no controle da</p><p>lagarta-do-cartucho no milho safrinha no estado de São Paulo, Brasil.</p><p>https://qrgo.page.link/HWkro</p><p>ALBERTS, B. et al. Biologia molecular da célula. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2017.</p><p>COOPER, G. M.; HAUSMAN, R. E. A célula: uma abordagem molecular. 3. ed. Porto</p><p>Alegre: Artmed, 2007.</p><p>JAMES, C. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops. The First Fourteen</p><p>Years, 1996 to 2009. International Service for the Acquisition of Agri-Biotech Applications,</p><p>n. 42, 2010.</p><p>KLUG, W. et al. Conceitos de genética. 9. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.</p><p>LODISH, H. et al. Biologia celular e molecular. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.</p><p>MADIGAN, M. T. et al. Microbiologia de Brock. 14. ed. Porto Alegre: Artmed, 2016.</p><p>REECE, J. B. et al. Biologia de Campbell. 10. ed. Porto Alegre: Artmed, 2015</p><p>STRACHAN, T.; READ, A. Genética molecular humana. 4. ed. Porto Alegre: Artmed, 2013.</p><p>WATSON, J. D. et al. Biologia molecular do gene. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2015.</p><p>9Biotecnologia e DNA recombinante</p><p>Dica do professor</p><p>Acompanhe as dicas do professor sobre o</p><p>uso de biotecnologia.</p><p>Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.</p><p>https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/4cab3c2eeb7789c87d54c1d35fa5cb88</p><p>Exercícios</p><p>1)</p><p>Assinale a alternativa que representa a função de uma enzima de restrição.</p><p>A) a) Mutagênese sítio-dirigida</p><p>B) b) Clivagem de DNA</p><p>C) c) Seleção artificial</p><p>D) d) Reação em cadeia da polimerase</p><p>E) e) Nenhuma das alternativas.</p><p>2)</p><p>Assinale a alternativa que representa a técnica capaz de formar pequenos poros na</p><p>membrana celular durante o processo de engenharia genética.</p><p>A) a) Transformação</p><p>B) b) Eletroporação</p><p>C) c) Fusão</p><p>D) d) Microinjeção</p><p>E) e) Disparo direto de DNA</p><p>3)</p><p>Como se chama a técnica de seleção de um clone específico?</p><p>A) a) Reação em cadeia da polimerase</p><p>B) b) Seleção branca-azul</p><p>C) c) Fusão</p><p>D) d) Microinjeção</p><p>E) e) Disparo direto de DNA</p><p>4)</p><p>Qual das seguintes técnicas é empregada na cura de doenças genéticas, por meio de</p><p>substituição de material genético?</p><p>CACM ACER</p><p>Realce</p><p>CACM ACER</p><p>Realce</p><p>CACM ACER</p><p>Realce</p><p>A) a) Vacinas de subunidades</p><p>B) b) Vacinas de DNA</p><p>C) c) Terapia gênica</p><p>D) d) Silenciamento gênico</p><p>E) e) N.D.A</p><p>5)</p><p>Dentre as alternativas a seguir, assinale a que não representa um produto de engenharia</p><p>genética de importância para a agricultura.</p><p>A) a) Ortoclone</p><p>B) b) Renina</p><p>C) c) Bactéria Rhizobium meliloti</p><p>D) d) Bactéria Pseudomonas fluorescens</p><p>E) e) Hormônio do crescimento bovino</p><p>CACM ACER</p><p>Realce</p><p>CACM ACER</p><p>Realce</p><p>Na prática</p><p>O diabetes é uma enfermidade onde o paciente encontra-se com falta de insulina ou com falta de</p><p>sensibilidade dos tecidos a ela. O hormônio insulina é uma proteína produzida pelo pâncreas que</p><p>controla a captura de glicose do sangue para os tecidos.</p><p>Nas últimas décadas, com o surgimento das técnicas de DNA recombinante, foi possível obter</p><p>uma fonte mais acessível para esse hormônio.</p><p>Primeiramente, os genes foram recriados sinteticamente para cada uma das duas cadeias</p><p>polipeptídicas que constituem a molécula de insulina. Logo em seguida, esses genes sintéticos</p><p>foram inseridos em um vetor plasmidial (E. coli) e ligado à extremidade de um gene, codificando a</p><p>enzima-galactosidase, fazendo com que o polipeptídeo da insulina fosse conduzido ligado a ela. Por</p><p>fim, o gene aderido ao material genético da bactéria induz a produção de insulina, onde</p><p>posteriormente, ela será extraída por técnicas específicas.</p><p>Saiba +</p><p>Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor:</p><p>BIOTECNOLOGIA PARA A PRODUÇÃO DE</p><p>BIOFÁRMACOS: FARMACOVIGILÂNCIA,</p><p>REGULAMENTAÇÃO E MERCADO NO BRASIL.</p><p>Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.</p><p>LECTINAS VEGETAIS: DE MOLÉCULAS DE DEFESA DE</p><p>PLANTAS ÀS SUAS DIVERSAS APLICAÇÕES</p><p>BIOTECNOLÓGICAS</p><p>Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.</p><p>GENÉTICA MICROBIANA E ENTOMOLOGIA FORENSE:</p><p>DO CORPO AO INSETO</p><p>Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.</p><p>http://www.revista.oswaldocruz.br/Content/pdf/Edicao_19_Veridiana_Oliveira.pdf</p><p>http://tede.unioeste.br/bitstream/tede/3931/5/Jaqueline_Oliveira2018.pdf</p><p>http://congresso.rebibio.net/congrebio2018/trabalhos/pdf/congrebio2018-et-01-001.pdf</p>