Congresso do Bioen sobre Bioenergia BBEST

Em agosto irá acontecer o 1st Brazilian BioEnergy Science and Technology  Conference que irá discutir diversos aspectos do desenvolvimento de biorrefinarias, como produção de enzimas, análise de ciclo de vida, engenharia metabólica e biologia sintética. Eu vou!

Dispositivos sintéticos: interruptores de expressão gênica

S√≥ agora tive tempo para fazer um post sobre a nossa segunda reuni√£o do Clube Cient√≠fico de Biologia Sint√©tica da USP que, com certeza, vai render alguns posts.¬†¬†Conversamos sobre¬†uma das¬†primeiras constru√ß√Ķes gen√©ticas de biologia sint√©tica visando a robustez no controle de express√£o: a constru√ß√£o de um interruptor gen√©tico (toggle switch, flip flop,..).¬†Robusto porque √© capaz de funcionar corretamente a partir do modelo apesar de v√°rias incertezas do sistema.

Mas para entender o dispositivo, vou comentar alguns conceitos b√°sicos de biologia molecular: (i) promotores s√£o regi√Ķes do DNA que antecedem os genes e¬†s√£o reconhecidas pela RNA polimerase e um fator sigma associado para facilitar a transcri√ß√£o do gene, (ii) transcri√ß√£o √© processo de cria√ß√£o de um RNA complementar¬†a sequ√™ncia de DNA que posteriormente pode ser traduzido por um ribossomo a uma prote√≠na, finalmente, (iii) um repressor √© uma prote√≠na de liga√ß√£o de DNA que regula a express√£o de genes, atrav√©s da liga√ß√£o a um operador, e bloqueia a liga√ß√£o da RNA polimerase¬†no promotor,¬†impedindo a transcri√ß√£o de genes.

Utilizando esses conceitos b√°sicos de biologia molecular, Gardner e colaboradores (2000) constru√≠ram um interruptor para regular a transcri√ß√£o de genes em E. coli.¬†Chama-se um interruptor porque possuiu dois pontos de equil√≠brio (acesso ou apagado, direita ou esquerda, express√£o de X ou express√£o de Y). Vou dar o exemplo de apenas uma das constru√ß√Ķes, em que o repressor 2 (repressor LacI) reprime o promotor 2 (Ptrc-2), e o repressor (repressor Tet) reprime o promotor 1 (PltetO-1).¬† A subst√Ęncia IPTG (Indutor 2) inibe o¬†repressor 2 e¬†aTC (Indutor 1) inibe o repressor 1 (ver Figura abaixo).

Dessa maneira, basicamente, temos dois pontos de equil√≠brio: (i) com¬†a presen√ßa de aTC,¬†o repressor 2¬†√© transcrito e ocorre a repress√£o do promotor 2, n√£o havendo assim¬†a transcri√ß√£o do gene rep√≥rter (no caso uma prote√≠na luminescente GFP); (ii) e na presen√ßa de IPTG em que ocorre a transcri√ß√£o do promotor¬†2, e conseq√ľente transcri√ß√£o de GFP e do repressor 1.

Dessa maneira, existem dois estágios: aceso (transcrição de GFP) e apagado (sem transcrição de GFP). Este sistema é robusto porque funciona de acordo com o modelo proposto:

Onde u √© a concentra√ß√£o do repressor 1, v √© a concentra√ß√£o do repressor 2, őĪ1 √© a taxa efetiva de transcri√ß√£o do repressor 1, őĪ2 √© a taxa efetiva de transcri√ß√£o do repressor 2, ő≤¬†√© taxa de cooperatividade da repress√£o do promotor 2 e ő≥ √© taxa cooperatividade de repress√£o do promotor 1.¬†A a√ß√£o deste modelo corresponde a seguinte estrutura gr√°fica:

Este gráfico representa os dois pontos de equilíbrio do sistema, o estado 1 e o estado 2 (aceso e apagado, na presença de um dos indutores) e um outro ponto instável de equílibrio que mostra os dois repressores se regulando mutuamente. Seria mais fácil de entender se houvesse, de uma lado uma proteína luminescente verde e  do outro lado do dispositivo uma proteína luminescente amarela. Os estados de equilibro 1 e 2 representam verde ou amarelo, enquanto o ponto instável de equilíbrio representa a ausência de cor.

Este tipo de dispositivo pode ser utilizado na biotecnologia para regular vias metabólicas inteiras, ligando e desligando vias de acordo com um sinal externo; ou na medicina para acionar a resposta a um remédio por exemplo. Funcionam de uma maneira mais eficiente do que o controle via promotores específicos. No próximo post, vou comentar a utilização desse dispositivo para desenvolver uma bactéria que conta!

Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Gardner TS, Cantor CR and Collins JJ. Nature 403: 339-342 (2000).

Revistas científicas de Biologia Sintética

H√°¬†alguns posts atr√°s eu reuni alguns laborat√≥rios de biologia sint√©tica espalhados pelo mundo. √Č muito bacana para saber quem √© quem nesse mundo cient√≠fico. Por√©m, para saber o que estas pessoas e outras pessoas andam pensando √© preciso ler o que eles publicam. Por isso, desta vez eu reuni as principais revistas de Biologia Sint√©tica.

Fica aí a dica: dar uma olhada nessas revistas todo mês para ver o que está acontecendo no mundo synbio!

Nature – Molecular Systems Biology

BMC Systems Biology

Springer – Systems and Synthetic Biology

Journal of Biological Engineering

PLoS – Computational Biology

Journal of the Royal Society – Focus on Systems Biology

 

Impressora 3D pode imprimir tecidos biológicos

Hoje em dia já se usam as impressoras 3D para a produção de moldes (scaffolds) para o cultivo de células, as chamadas bio-printers. Porém, é claro, os cientistas querem ir um pouco mais adiante. Vejam a matéria da BBC no Congresso AAAS sobre impressão 3D utilizando partes biológicas como matéria-prima para reconstrução de tecidos, orelhas e outras partes do corpo.

http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-12507034

Bancos de dados, GenBank, homólogos e ortólogos.

Grupos de Pesquisas em Biologia Sintética

Uma lista de grupos de pesquisa que trabalham com Biologia Sintética. Vale a pena conferir e acompanhar o trabalho desse pessoal.

Synthetic Biology Labs

Harvard University – Silver Lab

Harvard University – Laboratory for Molecular Automata

CalTech – Center for Biological Circuit Design

CalTech – The Elowitz Lab

CalTech – Frances Arnold Research Group

CalTech – The Pierce Lab

CalTech – Asthagiri Group

University of Michigan – Del Vecchio Lab

University of Michigan – Ninfa Laboratory

University of Minnesota – Riedel Lab

University of Minnesota – Kaznessis Group

Duke University – Laboratory of Biological Networks

Synthetic Biology Engineering Research Center

Lawrence Berkeley National Laboratory – Synthetic Biology Department

UCSF/UCB Center for Engineering Cellular Control Systems

UC Berkeley – Lim Lab

Stanford University – The Kool Group

Stanford University – The Smolke Lab

UCSF – Kortemme Lab

UCSF – Voigt Lab

UCSF – Lim Lab

Virginia Bioinformatics Institute – Peccoud Research Group

Boston University – Gardner Laboratory

Princeton University – Weiss Lab

University of New Mexico – Molecular Computing Group

The University of Texas at Austin – Andrew Ellington

Mount Sinai Hospital – The Pawson Lab

Dresden University of Technology – Schwille Lab

Tokyo Tech – Kiga Lab

EMBL-Heidelberg – Luis Serrano Group

ETHZ – Synthetic Biology Workgroup

ETHZ – Bioprocess Laboratory – Sven Panke

University of Cambridge – Jim Ajioka

University of Cambridge – Jason Chin

The University of Edinburgh – Alistair Elfick

Imperial College London – Paul Freemont

University of Groningen – Centre for Synthetic Biology

Ecole Polytechnique – Alfonso Jaramillo

Università degli Studi di Roma Tre РLuisi Synthetic Biology Lab

System & Synthetic Biology Labs

Oak Ridge National Laboratory & University of Tennessee – Molecular-Scale Engineering and Nanoscale Technologies Research Group

UC Berkeley – Arkin Lab

UC Berkeley – Keasling Lab

UC Davis – Michael A. Savageau

Boston University – Applied Biodynamics Laboratory

CalTech – Richard M. Murray

UCSD – Systems Biodynamics Lab

The University of Texas – Center for Systems & Synthetic Biology

Waseda University – Laboratory for Molecular Cell Network

Keio University – Sakakibara Lab

Kyushu Institute of Technology – Kurata Lab

Spanish National Biotechnology Centre – Logic of Genomic Systems Lab

Universitat Pompeu Fabra РComplex Systems Lab РRicard Solé

Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional РSystems And Synthetic Biology

Imperial College London – Institute of Systems and Synthetic Biology

RIKEN – Computational Systems Biology Research Group

Document√°rio SynBio

Um grupo de cientistas da Field Test Film Corps¬†est√° desenvolvendo um document√°rio sobre synbio. O filme pretende abordar desde a ci√™ncia b√°sica da biologia molecular at√© as pesquisas atuais, assim como quest√Ķes √©ticas e defini√ß√£o da vida. Muito interessante, confira o andamento do projeto.

Do-it-yourself biologists (DIYbio) e a ciência cidadã

ResearchBlogging.org

Neste momento, em algum lugar dos Estados Unidos, da Inglaterra¬†ou at√© da √ćndia, algum bi√≥logo sint√©tico¬†amador est√° realizando um experimento na sua cozinha ou garagem. Nos √ļltimos dois anos, entusiastas da biologia molecular t√™m se juntado¬†para montar organiza√ß√Ķes de biologia sint√©tica amadora, como o¬†DIYbio (do-it-yourself biology),¬†em que os membros¬†se re√ļnem em pubs e barbecues para discutir os √ļltimos experimentos realizados nas suas pr√≥prias garagens.¬†H√°¬†quase seis meses¬†tenho participado das discuss√Ķes desse grupo,¬†que apresentam¬†conte√ļdo refinado e objetivo sobre o desenvolvimento de microsc√≥pios de 10 d√≥lares, espectrofot√īmetros, centr√≠fugas de furadeiras ou liquidificadores, constru√ß√Ķes de¬†diferentes kits com E. coli modificada, chegando at√© a sequenciadores¬†de DNA caseiros.

Inspirados pelos grandes avanços realizados em garagens pelos fundadores de atuais gigantes da informática, os também chamados biohackers pretendem revolucionar a ciência através de experimentos e idéias não-convencionais aplicados a biologia sintética.

Este movimento tamb√©m se caracteriza pela chamada ci√™ncia cidad√£ (minha tradu√ß√£o de citizen science), em¬†que os cidad√£os¬†ativamente participam no papel de desenvolver a ci√™ncia e as novas tecnologias. Al√©m disso, a ci√™ncia cidad√£¬†estimula o apoio da popula√ß√£o¬†√†¬†ci√™ncia, o desenvolvimento do pensamento cient√≠fico nas pessoas, al√©m de introduzir novas id√©ias de diferentes disciplinas ao¬†assunto. Utilizando a Internet como plataforma, um simples projeto de ci√™ncias pode envolver dezenas, centenas e milhares de pessoas de diversas forma√ß√Ķes no mundo dispostas a criar algo novo e interessante.

Por√©m, junto com o crescimento da ci√™ncia cidad√£, tem tamb√©m aumentado a preocupa√ß√£o do governo americano e do FBI¬†a respeito do que os biohackers est√£o fazendo. Por incr√≠vel que pare√ßa, agentes do FBI¬†t√™m comparecido a reuni√Ķes do DIYbio para entender o que as pessoas est√£o fazendo e qual a possibilidade de utiliza√ß√£o das ferramentas para o¬†bioterrorismo.¬†A comunidade DIYbio teme que o foco constante em poss√≠veis atividades terroristas desvie a aten√ß√£o dos t√≥picos importantes¬†relacionados com biosseguran√ßa: como o¬†descarte de bact√©rias geneticamente modificadas,¬†normatiza√ß√£o/legaliza√ß√£o de laborat√≥rios caseiros¬†e equipamentos de seguran√ßa mais acess√≠veis e baratos.

Muitas vezes o que tem acontecido é que não existe nenhum tipo de norma ou lei que fale a respeito de laboratórios caseiros para a utilização de bactérias geneticamente modificadas.

Eu acho incrível o que está acontecendo neste momento. Não só está ocorrendo uma explosão de conhecimento e técnicas no mundo científico, mas também a população está cada vez mais interessada em fazer parte dessas descobertas e fazer da ciência um exercício cotidiano.

Ledford, H. (2010). Garage biotech: Life hackers Nature, 467 (7316), 650-652 DOI: 10.1038/467650a

Editorial, Nature (2010). Garage biology Nature, 467 (7316), 634-634 DOI: 10.1038/467634a

Workshop on Synthetic Biology and Robotics

Estou divulgando o Workshop on Synthetic Biology and Robotics da FAPESP no próximo dia 24, uma oportunidade imperdível para discutir alguns aspectos da Synbio. O programa está disponível no site da FAPESP e a inscrição é gratuita.

Biologia sintética e a computação

ResearchBlogging.org

Ontem¬†tivemos nossa primeira reuni√£o do Clube Cient√≠fico de¬†Biologia¬†Sint√©tica¬†para¬†discutir o artigo “Synthetic biology: new engineering¬†rules for an emerging disciplines.”¬†¬†A imagem abaixo resume¬†bastante a¬†abordagem dos autores do Departamento de Engenharia El√©trica Princeton para conduzir a revis√£o sobre o assunto.

Os autores tra√ßam um paralelo entre a biologia e os computadores, no qual, n√£o apenas se procura explicar a biologia celular utilizando a computa√ß√£o como analogia, mas tamb√©m, mostra que j√° foram desenvolvidos componentes biol√≥gicos que funcionam como componentes de computadores. S√£o dados exemplos de v√°rias constru√ß√Ķes biol√≥gicas sint√©ticas que¬†funcionam como componentes¬†el√©tricos, como¬†inversores (inverters devices), flip-flops (toggle-swicthes), osciladores (oscilators), amplificadores de¬†sinais (transcriptonal cascades modules) e¬†desviadores de sinais (diverter scaffolds). Restando assim,¬†poucos m√≥dulos para se construir um microcomputador celular sint√©tico.

Os autores comentam como estes¬†m√≥dulos sint√©ticos¬†e¬†a condi√ß√£o end√≥gena celular influenciam o comportamento um do outro,¬† sendo que qualquer flutua√ß√£o nos processos da c√©lula hospedeira podem influenciar o m√≥dulo e sua reposta (output). Dessa maneira, torna-se necess√°rio¬†combinar t√©cnicas de estima√ß√£o de par√Ęmetros¬†e t√©cnicas de an√°lises de fluxos metab√≥licos para entender o contexto celular e os impactos desses m√≥dulos na c√©lula.¬†Para explicar isto de uma maneira¬†resumida, a conectividade dos m√≥dulos entre si e com a c√©lula n√£o √© suficiente para definir a din√Ęmica de uma rede, √© preciso tamb√©m incluir par√Ęmetros cin√©ticos e regulat√≥rios (velocidade das rea√ß√Ķes, feedbacks, efeito de reguladores…) que podem variar sua atividade de acordo com as mudan√ßas realizadas no sistema original. Estes c√°lculos, por√©m,¬†s√£o muitos complicados e demandam uma mat√©matica muito avan√ßada. O que demonstra, mais uma vez, a necessidade de equipes multidisciplinares para a forma√ß√£o de grupos de pesquisa em synbio.

O artigo¬†mostra tamb√©m que c√©lulas sint√©ticas est√£o se tornando cada vez mais f√°ceis de construir. N√£o s√≥ pela nossa capacidade de manipular os componentes celular, mas pelo aumento da nossa capacidade de sintetizar DNA. Existem por√©m, desafios e limita√ß√Ķes nos tipos de atividades complexas que uma c√©lula independente consegue realizar de uma forma confi√°vel. Assim, uma nova fronteira para a synbio √© distribuir redes e m√≥dulos sint√©ticos entre m√ļltiplas c√©lulas, formando sistemas de comunica√ß√Ķes c√©lula-c√©lula, visando aumentar a possibilidade de desenhos e superar a confian√ßa limitada de c√©lulas sint√©ticas individuais. Para isso, j√° est√£o se desenvolvendo m√≥dulos de quorum sensing (mecanismos de comunica√ß√£o celular)¬†sint√©ticos que possibilitam a coordena√ß√£o do comportamento de comunidades microbianas. Verifica-se, portanto,¬†que muitos avan√ßos t√™m sido realizados para aumentar a complexidade da arquitetura das redes sint√©ticas.

Este artigo √© particularmente interessante porque mostra a vis√£o de¬†engenheiros el√©tricos do que √© a biologia sint√©tica. √Č importante destacar que existem diferentes vis√Ķes e abordagens de pesquisa¬†a respeito do que¬†√© a biologia sint√©tica e como ela pode ser aplicada, dependendo¬†da especialidade e background do grupo¬†de pesquisa.

Nas pr√≥ximas reuni√Ķes pretendemos abordar t√≥picos mais espec√≠ficos da¬†biologia sint√©tica, como a constru√ß√£o de um oscilador¬†sint√©tico, e mostrar diferentes vis√Ķes da biologia sint√©tica.

Até lá!

Andrianantoandro, E., Basu, S., Karig, D., & Weiss, R. (2006). Synthetic biology: new engineering rules for an emerging discipline Molecular Systems Biology, 2 DOI: 10.1038/msb4100073