Plantas · Pesquisa · Agricultura · Alimentos Biologia sintética: redesenhando organismos

Biologia sintética: redesenhando organismos

Por Juliette Irmer

O objetivo da biologia sintética é entender os sistemas biológicos tão bem que eles possam ser reconstruídos e modificados. Dessa forma, eles devem receber novas propriedades que não ocorrem na natureza. O campo de pesquisa da biologia sintética é muito diversificado: a pesquisa sobre a origem da vida usando genomas mínimos é parte dele tanto quanto pesquisas mais orientadas para aplicações nas quais novas biomoléculas, drogas e produtos químicos são produzidos. Os enormes avanços em biologia molecular e bioinformática também estão impulsionando a biologia sintética.

A biologia sintética é um conceito que tenta olhar para os sistemas biológicos através dos olhos de um engenheiro. Seguindo esse padrão de pensamento, uma célula é composta de diferentes módulos, como proteínas, e o material genético é o projeto desses módulos. Ao replicar e alterar esse projeto sob condições padronizadas, podem ser criados organismos equipados com novas funções.

O campo de pesquisa da biologia sintética varia de um código de DNA estendido com quatro blocos de construção adicionais....

... a processos biotecnológicos de reciclagem de resíduos plásticos mistos.

Foto grande acima: levedura de cerveja, um organismo de produção frequentemente usado em biologia sintética. (Kateryna Kon, 123RF). Foto acima: Millie Georgiadis/ Indiana University School of Medicine, abaixo: Josep Curto, 123RF

Em 2010, a réplica de um para um de um genoma bacteriano de um milhão de pares de bases ganhou as manchetes. Apenas dez anos depois, não se trata mais apenas de reconstruções genômicas: em vez disso, os cientistas estão tentando trabalhar nos chamados genomas mínimos. Para fazer isso, eles removem todos os genes que não são diretamente necessários para a sobrevivência. Por exemplo, na bactéria de água doce Caulobacter crescentus, que naturalmente tem cerca de 4.000 genes, mas sobrevive em laboratório com apenas 680 genes. Tais experimentos fornecem aos biólogos moleculares insights sobre a estrutura e regulação dos genomas.

Um marco no ramo da pesquisa agora conhecido como Genômica Sintética foi o anúncio do organismo sintético E. coli Syn61 em 2019. Cientistas britânicos substituíram completamente todo o genoma da bactéria intestinal Escherichia coli por DNA sintético, um total de quatro milhões de blocos de construção de DNA, e assim criaram o maior genoma artificial até hoje. Eles também simplificaram o código genético do genoma original de E. coli em 18.000 posições de DNA, o que é conhecido como recodificação: os pesquisadores trocaram cada códon TCG que codifica o aminoácido serina no códon sinônimo AGC, que também significa serina. (Códon: Cada três pares de bases em que um aminoácido é codificado.)

E.Coli Syn61 assim sobrevive com apenas 61 em vez de 64 códons. Tem uma forma um pouco mais alongada e se divide mais lentamente do que seu primo, mas está vivo. No futuro, os três códons que se tornaram livres poderiam servir como instruções para novos aminoácidos e, portanto, para novas proteínas. Em 2019, pesquisadores japoneses também criaram um DNA com quatro blocos de construção artificiais adicionais, que eles batizaram apropriadamente de Hachimoji (japonês = oito letras). Apesar dessa expansão, o DNA sintético permaneceu funcional.

Os avanços na biologia sintética também se devem à queda maciça nos preços das tecnologias utilizadas: o DNA agora pode ser decifrado de forma extremamente rápida e barata e sintetizado novamente, bloco por bloco. A montagem do DNA, ou seja, a montagem de pedaços individuais de DNA, também se tornou rotina.

Dessa forma, os pesquisadores também estão abordando genomas maiores: por cerca de dez anos, o consórcio de levedura Sc2.0 vem retrabalhando o genoma da levedura de cerveja, que compreende onze milhões de pares de bases. Os pesquisadores envolvidos recodificam, excluem e alteram a estrutura do material genético por meio da fusão de cromossomos. A levedura tolera coisas incríveis, até mesmo o encolhimento dos 16 cromossomos dispostos linearmente para apenas um em forma de anel. Os cientistas, portanto, suspeitam que o genoma da levedura contém vários elementos redundantes. Diz-se que uma versão redesenhada do genoma da levedura, Sc3.0, inclui mudanças mais radicais para criar um genoma muito mais compacto.

As cobiçadas "substâncias naturais": Produção em grandes quantidades e com qualidade constante

As áreas de pesquisa orientadas para a aplicação da biologia sintética também estão se desenvolvendo. Os cientistas alteram o metabolismo de bactérias, leveduras ou células vegetais e as convertem em fábricas de células. Dessa forma, é possível produzir uma ampla gama de diferentes substâncias: enzimas para processos industriais, como as algodoases, que simplificam o processamento quimicamente complexo do algodão e o tornam mais ecológico, biocombustíveis como isobutanol e etanol, biopolímeros, produtos químicos, fragrâncias e sabores e remédios. Fabricados sinteticamente, eles garantem uma qualidade consistente.

O organismo utilizado depende de suas habilidades e do princípio ativo a ser produzido. As bactérias diferem em seu desempenho metabólico das células eucarióticas. Alguns tipos de bactérias, por exemplo, são capazes de utilizar matérias-primas renováveis, como amido vegetal, resíduos de madeira e celulose, e alguns aparentemente podem usar componentes plásticos.

Existem bactérias que podem decompor e utilizar componentes do polietileno tereftalato (PET), muito comum em garrafas plásticas de água, e do poliuretano (PU), encontrado em esponjas de lavar louça e botas de borracha, por exemplo. O projeto MIX-UP, uma cooperação europeu-chinesa coordenada pela Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, está pesquisando métodos sustentáveis de reciclagem nos quais plásticos mistos devem ser convertidos em bioplásticos valiosos com a ajuda de enzimas e comunidades bacterianas (em princípio, o O objetivo deve ser mudar para plásticos facilmente degradáveis, uma vez que as bactérias sozinhas não podem resolver o problema do lixo plástico. Nenhuma bactéria foi encontrada para PVC ou polietileno, dos quais também são feitas folhas.)

Por mais versáteis que sejam as bactérias na produção de proteínas complexas, como anticorpos, elas são descartadas como sistema de produção porque são incapazes de anexar resíduos de açúcar às proteínas. Essa chamada glicosilação ocorre apenas em células eucarióticas e é essencial para o funcionamento de muitas proteínas, como anticorpos. É aqui que entram em jogo as células vegetais, que são mais fáceis e baratas de cultivar do que as culturas de células animais, que têm sido usadas até hoje para produzir proteínas humanas.

Uma pioneira é a empresa eleva, que está usando o musgo para desenvolver dois ingredientes ativos para doenças raras: Moss-aGal, uma forma recombinante da enzima humana α-galactosidase, e a proteína altamente complexa fator H. O musgo foi geneticamente "humanizado", de modo que produza as proteínas apropriadas com as porções de açúcar corretas. Além disso, as células foram programadas para liberar os ingredientes ativos no meio de cultura.

Apesar de alguns sucessos iniciais, a biologia sintética ainda está em sua infância. No entanto, poderia superá-los rapidamente: o conhecimento sobre a composição e estrutura dos genomas e sobre a regulação dos genes está crescendo rapidamente. Combinado com as novas possibilidades de edição do genoma, pode-se esperar que os cientistas em breve sejam capazes de construir e modificar vias metabólicas e genomas de maneira ainda mais eficiente e direcionada.

Como qualquer nova tecnologia, a biologia sintética oferece oportunidades, mas também abriga riscos que geram medos. Os oponentes da engenharia genética frequentemente se referem à biologia sintética como “engenharia genética extrema”. Na verdade, os limites entre a engenharia genética clássica e a edição do genoma são fluidos e, portanto, as questões éticas levantadas são semelhantes: os humanos ultrapassam os limites morais quando redesenham organismos usando técnicas de biologia sintética ou até mesmo criam novos?

A maioria dos cientistas, especialistas em ética e decisores políticos concorda que a sociedade como um todo deve discutir as vantagens e desvantagens de tais desenvolvimentos tecnológicos e que tais desenvolvimentos científicos devem ser monitorados de forma crítica em termos de segurança: Na Alemanha, por exemplo, a sede Comissão de Segurança Biológica (ZKBS) encomendada pelo Ministério Federal da Alimentação e Agricultura. De acordo com o ZKBS, "a pesquisa atual sobre biologia sintética, nem na Alemanha nem no mundo, apresenta quaisquer outros riscos para a segurança biológica além daqueles já avaliados usando a Lei de Engenharia Genética e outros regulamentos internacionais para modificações de engenharia genética 'convencionais'".

Se um dia for possível produzir sistemas biológicos artificiais reprodutíveis, novos critérios de avaliação de risco serão necessários.

O que é possível com a biologia sintética: alguns exemplos

Organismos