Biotecnologia - Malajovich, 2016

MARIA ANTONIA MALAJOVICH BIOTECNO LOGIA Segunda Ed ição (2016) ISBN: 978 - 85 -921077-0-3 BIOTECNOLOGIA: ENSINO E DIVULGAÇÃO (http://bteduc.com) MARIA ANTONIA M ALAJOVICH BIOTECNOLOGIA 2ª EDIÇÃO Rio de Janeiro Maria Antonia Muñoz de Malajovich 2016 ii Copyright © 2016 Maria Antonia Muñoz de Malajovich BIOTECNOLOGIA Maria Antonia Malajo vich ISBN: 978 - 85 -921077-0-3 Figuras e fotos d os emb riões de Kalanchoe (c apa e contracap a) da autora. O meu agradec imento a Elisabeth Lissovsky pela revisão do por tuguês. BIOTECNOLOGIA: ENSINO E DIVULGAÇÃO (http://bteduc.com) SUMÁRIO Seguir o link para ir dir etament e ao capítul o de interesse. C A P Í T U L O 1. O Q UE É BI OTECNOLOGIA............ ............ .............................. .................. ........................ .......... 1 A biotecnologia tradicional. A biotecnologia moderna. As definições de biotecnologia. O im pacto da biotecnologia. Biotecnologia e desenvolvimento. A história da biotecnologia. C A P Í T U L O 2. CÉLUL AS E CROMOSS OMOS...... .................... .................................... ......... ............................... ..9 A célula como u nidade estrutural e funcional dos seres vivos. Técnicas laboratoriais . Toda célul a d eriva de outra pree xistente. Os cromossomos e a teoria cromossômica d a h ereditariedade. As primei ras manipulações gênicas. Nature vs nurture . Célu las e cromossomos como agentes biológicos. C A P Í T U L O 3. OS MICRORGANISMO S....................... ............. ................................. ......... ...............................2 0 A d iversidade microbi ana (Eubacté rias, alg as, arq ueas, fun gos e vírus). As técnicas microbioló gicas. Biossegurança e biosseguridade. Os microrganismos como agentes biológicos. C A P Í T U L O 4. E NZIMAS E ANTICORPOS... .................. ..................... ........................ .................. .................. ....32 As proteínas. Estrutura. O proteoma. As bases de algumas técnicas laboratoriais. As enzimas. A c atálise enzimática. Os anticorpos. A reação antígeno- anticorpo. A p rodução de antico rpos no organismo e n o laboratório. A utilização dos anticorpos. C A P Í T U L O 5. OS Á CIDOS NUCLEICOS.... ........................ .................... ..................... ..................... .............. ......46 Os ácidos nuclei cos. A dupla hélice. O código genético. A e xpressão gênica. O fluxo da informação genética e m células procarióticas e eucarióticas. O complexo mu ndo dos RNAs. A diversidade existente. I nterferência e silenciamento gênico. O genoma humano: mapeamento e avanços posteriores. O DNA e o RNA como agente s biológicos. C A P Í T U L O 6. BIOPROCESSOS.......................... .................. .................................... ............ .................. .............58 Bioprocessos, processos fermentativos e ind ústria. Os microrganismos industriais. Noções sobre o metabolismo primário e secundário. As fases de crescimento da população microbiana. Meios de cultura e matéria-prima. A obtenção das linhagens. Os diferentes tipos de bioprocess os (tradicionais e submersos). Do laboratóri o à indústria (mudança de escala, co ndução do processo e recuperação do produto. Bioprocessos na indústria: o ácido cítrico e os biofertilizantes . C A P Í T U L O 7. O CU LTIVO DE CÉ LULAS E TECID OS................. ................................. ......... ................................7 1 A manipulação in vitro de células e tecidos vegetais: as primeiras tentativas, os meios de cultura, as etapas do processo, as diferentes modalidades, melhora mento e c onservação da biodiversidade vegetal, a difusão da tecnolo gia. A manipulação in vitro das células animais: as primeiras tentativas, as diferentes modalidades, o s meios de c ultivo, as linhagens celulares, condições de cultivo, do laboratório à indústria. C A P Í T U L O 8 . A TECNOL O GIA DO DNA ................. ................... .............................. ............ ........................... ..83 As ferramentas disponíveis: as nucleases ou enzimas de restrição, a ele troforese do DNA, hibridização e so ndas gênicas, o método de Southern, o Fingerprint, a síntese e amplificação de DNA, o sequenciamento do DNA. Os arrays. C A P Í T U L O 9. A E NGENHARIA GENÉTICA.... .. .................... ....................................... ......... ...............................9 5 O nascimento da b iotecnologia moderna: as primeiras experiências, mitos e realidade . As bibliotecas de gene s. A construção de um microrganis mo recombinante: Encontrar o gene, inserir o gene e identificar os microrganis mos recombinantes. A chegada d a comun idade DIY. A construção de p lantas tr ansgênicas: o tr ansgene, a transferência dos g enes a células vegetais, do laboratório ao campo. Células e animais tran sgênicos: a transferência g ênica a células animais, aplicações. As novas tecnologias de edição gênica baseadas no RNA interferente, nas nucleases sítio - dirigidas: Z FN\u2019S E TALEN, na imunidade bacteriana: CRISPR-CAS9.Biossegurança e regulação. C A P Í T U L O 10. BIO TECNOLOGÍA E I NDÚSTRIA.............. .................. ........................ .................. .....................114 O process o Weizmann. A indústria química: as vias química e biotecnológica. Os produtos bio tecnológicos: metabólitos de interesse co mercial, enzimas, biopolímeros e bioplásticos. Os biocombustíveis: etanol, biogás, bio diesel. Panorama atual. Biorrefinarias e novas bioindústrias: os casos Amyris e Solazyme (Terr aVia). C A P Í T U L O 11. BIOTECNOLOGIA E ME IO A MBIENTE.......... ........................ ..................... .................. ...............13 1 O desenvolvimento sustentável. As tecnologias limpas: substituição de processos industriais e de insumos agrícolas. A redução dos re síduos: degradação d o lix o, tratamento das á guas residuais, tratamento dos e fluentes industriais, e missões de gases e efeito estufa. A recu peração de recursos naturai s: o petróleo, a mineração. O diagnóstico de contaminação amb iental: indicadores biológicos, técnicas genéticas e imunológicas, biossensores. A biorremediação: os vazamentos de petróleo, a radiação. Organismos novos na natureza e biossegurança. M.A.MALAJOVICH - BIOTECNOLOGIA (2016) http://bteduc.com iv C A P Í T U L O 12. BIOTECNOLOGIA E BIODIVERSIDADE......... ........................... ..................... .................. ............1 49 A desaparição dos eco ssistemas naturais. O homem e as plantas alimentícias, comerciais e medicinais. A biodiversidade ameaçada: erosão genética, expansão do agronegócio, transg ênese. A proteção da biodiversidade: ce ntros de diversificação, conservação da biodiversidade. O CGIAR o centro intern acional da batata. O protoco lo de Cartagena de bios segurança. C A P Í T U L O 13. BIOTECNOLOGIA E A GRICULTURA.... ..................... ........................... ............... ........................1 6 2 A evolução das prát icas agrícolas. A obtenção de novas varieda des: m utação gênica e seleção, alteração do número de cromossomos, enge nharia gen ética. A biosseg urança e o princípio de precau ção. As PGMs de interesse agronômico: tolerância a herbicidas, resistência a insetos, resistência a vírus, c oexistência entre pl antas convencionais e PGMs. O cultivo de outros tipos de PGMs: in teresse n utricional, produção de medicamentos. O agronegócio: As primeiras empresas produtoras d e sementes, os gig antes gênicos, a cadeia produtiva d a semen te, patentes e in ovação tecnológica. A adoção d os cultivos biotecnológicos no mundo: os Estados Unid os e a União Europeia, Israel, Áfri ca subsaariana, China. A chegada das novas tecnologias. C A P Í T U L O 14. BIOTECNOLOGIA E CRIA ÇÃO DE AN IMAIS.. ..... .................................. ......... ...............................1 79 A nutrição dos animais a necessidade de rações, de L iebig à vaca louca, variações sobre a co mposição das rações, as rações transgênicas. O melhoramento genéti co do gado: o controle da re produção, as novas tecnologias. A aquicultura. A saúde d os animais: os mo dificadores metabólicos, a resistência a doenças, prevenção e tra tamento. Novas utilizaçõ es dos animais domésticos: modelos de estudo para doenças humanas, xenotransplantes, os animais c omo biorre atores, o marc o conceitu al dos três Rs. Os animais de estimação. C A P Í T U L O 15. BIOTECNOLOGIA E ALIMENTOS................. ....................................... ......... .................... .......... 19 4 O pão. O vinho: a vinificação, o cultivo da videi ra, o rol da levedu ra na vinificação. A ce rveja. Os q ueijos e iogurtes : a pr odução de laticínios, o rol de microrganismos e enzimas. A proteína d e c élula única. Os aditivos: os diversos tipos, os adoçantes. Os alimentos biofortificados. Segurança alimentar C A P Í T U L O 16. BIOTECNOLOGIA E NOVOS ALI MENTOS..... .................................... ............ ........................... ...20 6 A entrada dos transgênicos na cadeia alimentar: melhorando a c onservação, as propriedades industriais e as c aracterísticas nutricionais. A favor ou contra? O que o consumid or precisa saber: a noção de segurança, a inge stão de DNA, os marcadores de resistência a antibióticos, a composição química, a produção de to xinas, a produção de alérgenos, o risco de câncer, a utilização de um promo tor viral (CaMV), outros efeitos, perspectiva histórica. Como garantir a segurança alimentar? O princípio de equivalência substancial, a ava liação de riscos, a rotulagem dos alime ntos, rótulo e info rmação, o rastreamento de um transgene. C A P Í T U L O 17. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE / VACINAS.............. ................................. ......... ...............................2 1 6 As doenças infecciosas. A aquisição de imunidade. Os diferen tes tipos de vacinas: as vacinas tradicionais ou de primeira geração. As novas vacinas ou de segunda geração , a última geração. A produção de vac inas: pesquisa e de senvolvimento, o marco ético, ope rações industri ais , o mercado d as vacinas , um se tor estratégico para a sociedade. As vacinas e a erradicação da doença : a varíola , a poliomielite, a i nfluenza, tuberculose, malária e HIV/AIDS. A ameaça das doenças emergentes. Bioterrorismo e biosseguridade. C A P Í T U L O 18. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE / OS TESTES DI AGNÓSTICOS..... .................. ...................... .... ..........23 3 As tendências atuais: dispositivos miniaturizados, o que é u m bom teste, as técnicas com base bioquímica, base imunológica e base genética. O diagnóstico das d oenças infecciosas. A tipificação de tecidos: sang ue, outros tecidos e órgãos. O diagnóstico de doenças genéticas: as limitações dos testes, as estr atégias seguidas, diagnóstico preventivo e preditivo. As patentes. O esporte. A prática forense. C A P Í T U L O 19. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE / A IND ÚSTRIA DE MEDICAMENTOS........ .................... ...................2 47 O desenvolvimento de um medicamento novo. Patentes , genéricos e biossimilares. Os princípios ativos das plantas: o caso da aspirina, os fitoterápicos, as tendências recentes, a importância de um marco legal. As substâncias antibióticas: o caso da penicilina, os limites ao uso de antibióticos, a necessidade de inovação. As primeiras moléculas terapêuticas: o c aso da insulina, a substituição do produto natural. As p roteínas recombinantes: as b ases tecnológicas, os produtos e s uas utilizaçõe s. Os medicamentos personalizados: a farmacogenômica, a farmacogenética, as doenças órfãs. O mercado dos biomedicamentos: a tendência geral, América Latina. C A P Í T U L O 20. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE / OS NOVOS TRATAMENTOS........ .......... ...................... ............... 264 A aprovação de um tratamento expe rimental. Os transplantes: os tr ansplantes de órgãos, os xenotranspl antes. A engenharia de tecidos: as terapias celulares, fraudes e desatinos. As imunoterapias: o progresso, os anticorpos monoclonais, o desafio da barreira hematoencefálica. O câncer: uma doença de o rigem genética, as terapias biológicas, os vírus oncolíticos, as vacinas terapêuticas. As terapias gên icas: terapia somática e germinal, o s altos e baixos de um a tecnologia, os resultados alcançados, a FIV tripare ntal. As promessas do RNA: as ribozimas, a tecnologia anti-sense, o RNA inte rferente, a edição gênica C A P Í T U L O 21. CONSIDERAÇÕE S FINAIS............................ .............................. .................. ........................ ...... 27 8 B I B L I O G R A F I A ................................................................ ....................................... ..................................... 28 0 SUMÁRIO v LISTA DE FIGURAS FIGURA 1.1. O campo da Biotecnologia FIGURA 2.1. Representações esquemáticas da estrutura celular FIGURA 2.2. As células-tronco embrionárias FIGURA 2.3: Os cromossomos FIGURA 2.4. Mitose e meiose FIGURA 3.1. Bactérias, clones e intercâmbio de material genéti co A. A \u2013 Formação de clones B. B \u2013 Mecanismos de transferênci a lateral ou horiz ontal de mater ial genético FIGURA 3.2. Os vírus A. Estrut ura funda mental B. Morfologia de diferentes vírus C. (Os adenovírus e o HIV parasit am células humanas; o b acteriófago, bac térias). D. A multiplic ação de um bact eriófago FIGURA 3.3. Logotipos utilizados como indicação de risco biológico FIGURA 4.1. A composição química de uma bactéria FIGURA 4.2. Aminoácidos e proteínas FIGURA 4.3. Cromatografia em coluna FIGURA 4.4. Eletroforese FIGURA 4.5. Difração de raios X FIGURA 4.6. O mecanismo da atividade enzimática A. O model o chave-fec hadura B. A enzima diminui a energia de ativação FIGURA 4.7. A estrutura da molécula de anticorpo (IgG) FIGURA 4.8. Os anticorpos e o reconhecimento do antígeno FIGURA 4.9. O encontro do linfócito B e do antígeno, e a sel eção clonal FIGURA 4.10. A produção de anticorpos no laboratório FIGURA 4.11. Os ensaios imunológicos A. Associação d os antic orpos com molécul as fluorescent es B. Associaç ão dos antico rpos com enzimas FIGURA 5.1. Composição química dos ácidos nucleicos FIGURA 5.2. A molécula de DNA FIGURA 5.3. O fluxo da informação genética FIGURA 5.4. A organização e regulação dos genes nas células procarióticas FIGURA 5.5. A organização e regulação dos genes nas células eucarióticas FIGURA 5.6. As etapas da síntese de proteínas (Recapitulação) FIGURA 5.7. O silenciamento gênico FIGURA 6.1. O processo fermentativo genérico FI GURA 6.2. Respiração e fermentação FIGURA 6.3. As diversas fases do crescimento de uma população microbiana e a produção de metabólitos A. As fase s de cre scimento de uma po pulação B. A produção d e metabólitos primários e secundários FIGURA 6.4. A metodologia HTS para triagem e evolução dirigida de linhagens bacterianas FIGURA 6.5. Modelos de biorreatores utilizados em processos tr adicionais A. Biorreator para fermentações em fase sólida B. A produção de vinagre (Método de Orléans) FIGURA 6.6. Modelo de biorreator utilizado em fermentações submersas FIGURA 6.7. Fermentações, agentes biológicos e biorreatores FIGURA 6.8. A mudança de escala, do laboratório à indústri a FIGURA 6.9. A obtenção de ácido cítrico por fermentação FIGURA 7.1. As diversas partes de uma planta angiosperma FIGURA 7.2. O procedimento a seguir para se obter uma cultura assépti ca no laboratório FIGURA 7.4. A cultura de meristemas FIGURA 7.5. As diferentes possibilidades dos cul tivos de calos FIGURA 7.6. As possibilidades do cultivo de células vegetais FIGURA 7.7. As culturas de células de origem animal A. Etapas d a cultur a de leucócito s para a análise do c ariótipo B. Etapas da c ultura de cé lulas a partir d e um fragmento d e tecido FIGURA 8.1: As enzimas de restrição (EcoRI corta o DNA na sequência palindrômica GAA TTC) FIGURA 8.2. A eletroforese do DNA FIGURA 8.3. Os polimorfismos FIGURA 8.4. Hibridização de uma sequência de DNA com uma sonda complementar marcada FIGURA 8.5. A técnica de Southern FIGURA 8.6. A síntese de oligonucleotíde os M.A.MALAJOVICH - BIOTECNOLOGIA (2016) http://bteduc.com vi FIGURA 8.7. A síntese de cDNA por transcriptase reversa FIGURA 8.8. A reação em cadeia da polimerase FIGURA 8.9. O sequenciamento de um fragmento de DNA FIGURA 8.10. Fundamentos da tecnologia de arrays FIGURA 9.1. Cortar, colar, copiar: a experiência que deu origem à engenharia genética FIGURA 9.2. Sapobacter ou Bactosapo? FIGURA 9.3. A construção de bibliotecas de genes FIGURA 9.4. A produção de somatotropina por engenharia genética FIGURA 9.5. Algumas estratégias possíveis de clonagem FIGURA 9.6. A estrutura de um vetor de expressão FIGURA 9.7. Semelhanças entre os Legos e os Biobri cks (www.biochem.hku.hk/synbio/?_id=148) A. Classificação hierárquica B. Construções intercambiando as partes FIGURA 9.8. A construção de uma planta transgênica no laboratório FIGURA 9.9. As etapas da construção de uma planta tr ansgênica FIGURA 9.10. Construção de animais transgênicos A. Microinje ção. B. Transfec ção de célul as-tronco embrio nárias FIGURA 9.11. A edição gênica com CRISPR-Cas9 FIGURA 10.1. As etapas necessárias para a produção de etanol a partir de diferentes matéri as-prim as FIGURA 10.2. A produção de etanol a partir da cana- de -açúcar FIGURA 10.3. A biodigestão em condições aeróbias e anaeróbias. FIGURA 10.4. As complexas etapas da produção de biogás dentro do biodigestor FIGURA 10.5. As utilizações do biogás FIGURA 10.6. A reação de transesterificação FIGURA 10.7. O caso Amyris A. Do quingha osu à artemisi na B. Produtos ger ados na pl ataforma tecnológic a baseada na e ngenharia met abólica da levedu ra (via dos isoprenoides ou terpenos) FIGURA 10.8. O caso Solazyme FIGURA 11.1. A indústria de papel e de celulose. FIGURA 11.2. Controle biológico do Aedes aegypti A. Ciclo de vida d o mosquito Aedes a egypti B. Controle po r Wolbacchia C. Contr ole por ir radiação D. Controle p or engenharia gené tica FIGURA 11.3. A compostagem FIGURA 11.4. O tratamento das águas residuais FIGURA 11.5. O funcionamento de um biossensor TABELA 11.2. Os principais contaminantes do meio ambiente FIGURA 11.6. As estratégias de biorremediaçã o FIGURA 12.1. O transporte de plantas de um continente a outro FIGURA 12.2. Distribuição da produção agrícola na área habitável do planeta FIGURA 12.3. Os vegetais na alimentação humana FIGURA 13.1. O milho FIGURA 13.2. A produção de milho híbrido FIGURA 13.3. As etapas da construção de uma planta transgênica FIGURA 13.4. Os elos que integram a cadeia produtiva da semente FIGURA 14.1. O Controle da reprodução em bovinos FIGURA 14.2. Dolly, um clone obtido por transferência nuclear FIGURA 14.3. O sa lmão transgênico AquAdvantage (Aquabounty Technologies) TABELA 14.2. Significado e alcance dos três Rs (do inglês replacement , reduction , refinement ) FIGURA 15.1. A panificação FIGURA 15.2. A vinificação FIGURA 15.4. A produção de laticínios A. Iogurte tradi cional e iogurte batido B. Queijo. Os agentes biológic os intervêm nas e tapas de c oagulação e na matur ação de al guns produto FIGURA 15.5. A produção de xarope de frutose FIGURA 16.1. O que é um transgênico? FIGURA 16.2. A estrutura de um transge ne FIGURA 16.3. O símbolo de transgênico adotado no Brasil. FIGURA 17.1. As respostas primária e secundária do organismo FIGURA 17.2. A memória imunológica FIGURA 17.3. A utilização da tecnologia do DNA-recombinante na vacina contra a hepatite B. FIGURA 17.4. Os diferentes tipos de vacinas FIGURA 18.1. Imagens comerciais de alguns dispositivos mini aturizados utilizados em testes diagnósticos CHASIS SUMÁRIO vii FIGURA 18.2. Imagem comercial dos sistemas API de Biomérieux (http://www.tgw1916.net/Tests/api.html). FIGURA 18.3. O método direto e indireto de um teste positivo de ELISA. FIGURA 18.4: As técnicas com base genética FIGURA 18.5. O sistema HLA A. A heran ça dos hapl ótipos. B. Reação mista o u \u201ccross - matching\u201d. C olocam -se em cont ato as cé lulas do doador c om o soro d o receptor, em presenç a de complemento. Se as célul as do doador fic am intactas, há co mpatibilida de. FIGURA 18.6. O uso de arrays no diagnóstico de mutações nos genes BRCA1 e BRCA2 FIGURA 19.1. As etapas do desenvolvimento de um medicamento FIGURA 19.2: A fórmula da aspirina FIGURA 19.3. A fórmula da penicilina FIGURA 19.4. A insulina humana A. A moléc ula de ins ulina B. A síntese da insulina . FIGURA 20.1. O princípio da clonagem terapêutica FIGURA 20.2. A transformação de uma célula normal e m cancerosa por mutação (câncer de cólon). FIGURA 20.3. O tratamento com sipuleucel-T (Provenge®). A. Extração das c élulas d endríticas B. Incubação das células co m Provenge® C. Reinfusão das células modi ficadas no pacie nte (3 vezes com 2 se manas de int ervalo) FIGURA 20.4: O princípio da terapia gênica. FIGURA 20.5: As tecnologias de silenciamento gên ico. A. As ribozimas B. O RNA anti -sense C. O RNA inte rferente LISTA DE TABELAS TABELA 1.1. Produtos e serviços de origem biotecnológica, em di ferentes setores TABELA 1.2. A linha do tempo TABELA 2.1. A função e a distribuição das estruturas celulares TABELA 2.2. As células como agentes biológicos TABELA 3.1. Os microrganismos dentro do marco da uma classificação biológica atual TABELA 3.2. As bactérias (Eubactérias e Arqueas) como agentes biológicos TABELA 3.3. As algas como agentes biológicos TABELA 3.4. Os fungos como agentes biológicos TABELA 4.1. As funções das proteínas no organismo TABELA 4.2. A classificação internacional das enzimas TABELA 4.3. As enzimas como agentes bi ológicos TABELA 4.4. Os anticorpos como agentes bi ológicos TABELA 5.1: O código genético TABELA 5.2. Os ácidos nucleicos (DNA e RNA) como agentes biológicos TABELA 7.1. Os componentes do meio de cultura para células vegetais TABELA 7.2. Os componentes de um meio de cultura básico para células animais TABELA 7.3. Origem e utilização de algumas linhage ns celulares TABELA 10.1. Diversidade de produtos derivados de algumas matérias-primas renováveis TABELA 10.2. Metabólitos primários e secundários obtidos por fermentação e/ou bioconversão enzimáti ca TABELA 10.3. O poder calorífico de vários combustíve is. TABELA 11.1. Alguns exemplos de utilização de agentes biológicos como pesticidas TABELA 11.2. Os principais contaminantes do meio ambiente TABELA 12.1. Os principais tipos de vegetais que entram em nossa alimentação TABELA 12.2 . As plantas e a indústria TABELA 12.3. Os centros de diversificação e os cultivos originários TABELA 14.1. O risco de escapamento de um animal transgênico TABELA 14.2. Significado e alcance dos três Rs (do inglês replacement , reduction , refinement ) TABELA 16.1. As plantas geneticamente modificadas no mundo (Dados do ISAAA, março de 2016) TABELA 17.1. A produção de vacinas no Brasil TABELA 18.1. As qualidades de um bom teste de di agnóstico. TABELA 18.2. Algumas das mais de 8.000 doenças genéticas descritas TABELA 19.1. A linha do tempo de entrada dos antibióticos e antibacterianos no mercado TABELA 19.2. Alguns biofármacos de interesse médico TABELA 19.3. Os medicamentos biológicos mais lucrativos em 2014 (Statista, Phrma) M.A.MALAJOVICH - BIOTECNOLOGIA (2016) http://bteduc.com viii

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