A tecnologia do DNA recombinante possibilita a obtenção de organismos com características novas ou não encontradas na natureza. Desse modo, células de bactérias, leveduras e mesmo eucariontes superiores como plantas podem ser programadas com genes exógenos, abrindo a perspectiva de produção nestes organismos de polipeptÌdeos de interesse, como o interferon, o hormÙnio de rescimento, a insulina, entre outros.
A expressão "plug-and-play" aplicada ao DNA se relaciona a fragmentos de DNA prontos para o uso que podem ser inseridos em uma célula para sintetizar uma proteína, enzima ou peptídeo de interesse.
Tais produtos de DNA, conhecidos como construções, incluem dois componentes - um vetor que vai ser lido pelas enzimas do hospedeiro e iniciar a transcrição e um gene inserido que irá gerar a biomolécula não-nativa. Estas construções de DNA podem conter até milhares de pares de bases de comprimento.
Uma equipe de engenheiros genéticos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) divulgou a criação de uma linguagem de programação que permite, projetar rapidamente circuitos complexos para codificação destes DNAs “prontos para o uso”, que darão novas funções para as células vivas. Linguagem esta que poderá ser usadas até mesmo por pesquisadores iniciantes.
Esta equipe de bioengenharia do MIT, sob a liderança de Christopher Voigt, utilizou a linguagem Verilog, que é comumente empregada na programação de chips de computador. Em síntese, descreveram um circuito funcional, especificando os sensores, efetores e o "arquivo de restrições do usuário" (UCF), que define o organismo, a tecnologia de porta, e as condições de funcionamento válidos [1].
Quando o circuito gerado no Verilog é rodado num ambiente de design chamado Cello (www.cellocad.org) , esta informação é utilizada para desenhar, automaticamente, uma sequência de DNA que codifica o circuito desejado. Isto é feito através de um conjunto de algoritmos que analisam o texto Verilog, que contém o diagrama do circuito, atribui portas, equilibra restrições para construir o DNA e simula o desempenho. Detalhes adicionais do processo foram publicados na revista Science em 01 de abril, em um artigo intitulado, "Genetic Circuit Design Automation" [2].
Este trabalho dos engenheiros do MIT consistiu na descrição de uma linguagem de hardware para programação de células vivas. Na versão atual está otimizado para E. coli, mas os pesquisadores estão trabalhando na expansão da linguagem para outras espécies de bactérias, incluindo Bacteroides, comumente encontrados no intestino humano, e Pseudomonas, que muitas vezes vive nas raízes das plantas, bem como para a levedura Saccharomyces cerevisiae. Isso permitirá que os usuários escrevam um único programa e, em seguida, possam compilá-lo para diferentes organismos para obter a sequência correta de DNA de cada espécie[2].
Para entedermos melhor como um programa pode ser utilizado para gerar DNA vamos relembrar um pouco da história da criação da “primeira célula sintética”.
Em maio de 2010 um artigo do ‘The wall street Journal’ assinado por Robert Lee Hotz [3] anunciava a criação da primeira célula sintética por pesquisadores do Instituto J. Craig Venter, que investiu neste projeto cerca de 40 milhões de dólares.
Na realidade, não houve a criação de um organismo totalmente sintético, mas foi criado um organismo com um genoma sintético. Contudo, a divulgação desta pesquisa em um jornal sobre economia atestou a grande possibilidade de investimentos em tecnologias que podem produzir formas de vida industriais capazes de secretar combustíveis, vacinas ou outros produtos de alto interesse comercial.
Para fazer este orgnaismo com DNA sintético, uma equipe de 25 pesquisadores em laboratórios em Rockville e San Diego, liderados pelo bioengenheiror Daniel Gibson e pelo prórpio J. Craig Venter, essencialmente transformaram um código de computador em uma nova forma de vida.
Eles utilizaram a estutura celular dabactéria chamada Mycoplasma capricolum, substituindo seu genoma por outro que eles mesmos haviam escrito, transformando-a em uma variante personalizada de uma segunda espécie chamada Mycoplasma mycoides (JCVI-syn1.0).
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| Bactéria sintética Micoplasma mycoides, imagem do NCMIR |
Para começar, eles reescreveram todo o código genético da bactéria Mycoplasma mycoides como um arquivo de computador, documentando mais de um milhão de pares de bases de DNA, escritos em um alfabeto bioquímico de adenina, citosina, guanina e timina.
Depois, eles editaram esse arquivo, acrescentando um novo código que denominaram JCVI-syn1.0 e enviaram os dados eletrônicos para uma empresa de sequenciamento de DNA chamada Blue Heron Bio, em Bothell, Washington, onde o arquivo digital foi transformado em centenas de pequenos pedaços de DNA.
Para montar estes pedaços de DNA, os pesquisadores aproveitaram a capacidade natural de leveduras e bactérias para fundir genes e cromossomos, a fim de “costurar” essas sequências curtas em fragmentos cada vez maiores até que foi montado o genoma completo, com todo o conjunto de instruções genéticas de um organismo. Este genoma foi então inserido em células sem cromossomo da bactéria M. capricolum, que foi assim transformada na M. mycoides (JCVI-syn1.0).
Referências:
[1] GEN News Highlights: Programming Language Automates Generation of Plug-and-Play DNA. http://www.genengnews.com/gen-news-highlights/programming-language-automates-generation-of-plug-and-play-dna/81252552/
[2] NIELSEN, A. A. K.; DER, B.S.; SHIN, J.; VAIDYANATHAN, P.; PARALANOV, V.; STRYCHALSKI, E. A.; ROSS, D.; DENSMORE, D.; VOIGT, C. A. Genetic circuit design automation. Science, vol. 352 no. 6281, 01/04/2016, disponível em: http://science.sciencemag.org/content/352/6281/aac7341
[3] HOTZ, R. Lee, Scientists Create Synthetic Organism. The wall street Journal, 21/05/2010, disponível em: http://www.wsj.com/articles/SB10001424052748703559004575256470152341984
leitura complementar:
LIMA, B. D. A produção de insulina humana por engenharia genética. Biotecnologia CiÍncia & Desenvolvimento – nº 23 - novembro/dezembro 2001, disponível em: http://www.biotecnologia.com.br/revista/bio23/producao.pdf
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