ACS Synthetic Biology

A American Chemical Society anunciou o lançamento de uma nova
revista de artigos cient√≠ficos (revisada por pares), a ACS Synthetic Biology. O editor-chefe ser√° o Christopher A. Voigt, do MIT, e a revista publicar√° artigos de pesquisas de alta qualidade, cartas, notas t√©cnicas, tutoriais e revis√Ķes que nos far√£o entender melhor a organiza√ß√£o e a fun√ß√£o das c√©lulas, tecidos e organismos em seus sistemas. A revista √© particularmente interessada em estudos do design e s√≠ntese de novos circuitos gen√©ticos e produtos g√™nicos; m√©todos computacionais para o design de sistemas; e abordagens integrativas e aplicadas para o entendimento de doen√ßas e metabolismo. A revista come√ßar√° a aceitar submiss√Ķes em julho deste ano.

Alguns dos tópicos incluem * :

  • Design e otimiza√ß√£o de sistemas g√™nicos
  • Design de circuitos g√™nicos e seus princ√≠pios para sua organiza√ß√£o em programas
  • M√©todos computacionais para ajudar no design de sistemas g√™nicos
  • M√©todos experimentais para quantificar partes gen√©ticas, circuitos e fluxos metab√≥licos
  • Bibliotecas de partes gen√©ticas: sua cria√ß√£o, an√°lise, e representa√ß√£o ontol√≥gica
  • Engenharia de prote√≠nas incluindo o design computacional
  • Engenharia metab√≥lica e produ√ß√£o celular, incluindo convers√£o de biomassa
  • Engenharia e produ√ß√£o de produtos naturais
  • Aplica√ß√Ķes inovadoras e criativas de programa√ß√£o celular
  • Aplica√ß√Ķes m√©dicas, engenharia de tecidos, e a programa√ß√£o de c√©lulas terap√™uticas
  • Design e constru√ß√£o da ‚Äúc√©lula m√≠nima‚ÄĚ
  • Engenharia viral
  • Metodologias de s√≠ntese de DNA
  • Biologia de Sistemas e m√©todos para integrar m√ļltiplos dados

*(veja a lista completa no site, que não se limita aos tópicos mencionados)

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SB 5.0 РEncontro Internacional de Biologia Sintética e um breve histórico

Em julho do ano passado, cientistas do J. Craig Venter Institute¬†‚Äúcriaram‚ÄĚ a primeira c√©lula bacteriana sint√©tica e auto-replicante, controlada por um genoma quimicamente sintetizado e o an√ļncio foi feito em maio (veja o v√≠deo abaixo). A equipe sintetizou um cromossomo de 1,08 milh√Ķes de pares de bases a partir de um genoma modificado de Mycoplasma mycoides. A c√©lula sint√©tica recebeu o nome de Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 e √© a prova de que genomas podem ser¬†desenhados¬†(no sentido de designed)¬†em computadores, depois sintetizados quimicamente em um laborat√≥rio e inseridos em uma c√©lula, de forma a produzir uma nova c√©lula auto-replicante controlada apenas por um genoma sint√©tico.

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A not√≠cia se espalhou pelo mundo em pouco tempo, ganhando fama, criando pol√™mica e dividindo opini√Ķes a respeito dos riscos e benef√≠cios potenciais de sua descoberta. Em resposta, o Presidente Barack Obama pediu para a “Presidential Commission for the Study of Bioethical Issuesavaliar o desenvolvimento e a √©tica da biologia sint√©tica e tecnologias emergentes, de forma a maximizar os benef√≠cios e minimizar os riscos. A Comiss√£o contou com o engajamento de cientistas, engenheiros, profissionais ligados √† √©tica, ci√™ncias sociais.

Agora em junho, cerca de 700 pessoas de 30 países participaram do 5ª Encontro Internacional de Biologia Sintética na Universidade de Stanford, que pelo que me parece é o mais importante nessa área. Havia cientistas superstars, estudantes, biólogos DIY, engenheiros, biólogos tradicionais, entre outros. O pessoal que segue nosso twitter ou a página do facebook ficou sabendo que a conferência foi transmitida ao vivo pela internet e viu como esse pessoal está batalhando para dar os próximos passos na synbio.

A cria√ß√£o da c√©lula sint√©tica abre portas para um futuro no qual bi√≥logos sint√©ticos poder√£o ‚Äúredesenhar‚ÄĚ (redesign) c√©lulas vivas para realizarem quaisquer tarefas desejadas. A maior parte das pesquisas atuais tem focado em bact√©rias que executam atividades semelhantes √†quelas que elas j√° fazem, por meio de processos e materiais que se parecem com aqueles utilizados naturalmente. Exemplos s√£o bact√©rias produtoras de combust√≠veis.

Os cientistas t√™m as ferramentas necess√°rias para editar uma sequ√™ncia gen√©tica existente em um computador, usar m√°quinas sintetizadoras de DNA para fabricar os fragmentos e uni-los em laborat√≥rio (Esse √© s√≥¬†um de v√°rios caminhos que bi√≥logos sint√©ticos est√£o tomando.) Mas ainda √© dif√≠cil predizer o que as c√©lulas far√£o depois de serem alteradas. Pesquisadores enfrentam desafios porque as c√©lulas tem um ‚Äúdesejo natural‚ÄĚ de crescerem e viverem √† sua maneira, mas elas precisam aprender a produzir algo √ļtil de uma forma eficiente.

Um dos maiores obstáculos reside na criação e montagem dos fragmentos de DNA que codificam para uma função particular e são sintetizados no laboratório. Fabricar esse DNA ainda é caro e requer tempo, e qualquer outra mudança que seja necessária demanda ainda mais tempo e dinheiro.

‚ÄúAlgumas sequ√™ncias s√£o sintetizadas em dois meses”, enquanto outras podem nem mesmo serem feitas, por raz√Ķes ainda n√£o entendidas, disse Reshma Shetty, co-fundadora do Ginkgo Bioworks, uma companhia que monta partes de DNA.

Pamela Silver, uma professora de biologia de sistemas da Universidade de Harvard, acredita que os biólogos do futuro poderão sentar na frente de um computador, planejar um experimento, e ter o DNA no dia seguinte. Para que a biologia sintética cumpra sua promessa, a síntese de DNA deve ser barata, rápida, previsível e acurada, além de ser disponível a todos, incluindo pesquisadores cujos laboratórios não tem equipamentos ou recursos apropriados. Felizmente, o custo da síntese de DNA, assim como o do sequenciamento de DNA, vem caindo rapidamente.

Retirado e adaptado de: What’s the Future of Synthetic Biology? por Katherine Bourzac

Para Saber Mais:

The Promise of Syn Bio (version 5.0)

First Self-Replicating, Synthetic Bacterial Cell Constructed by J. Craig Venter Institute Researchers 

Immaculate creation: birth of the first synthetic cell

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Light Switches: Um Review

ResearchBlogging.orgJá tratamos nesse blog de um dispositivo simples, mas engenhoso, para a transdução de um sinal luminoso em uma resposta genética desejada, no caso um switch de luz vermelha. Mas podemos abranger o conceito de switch de luz para uma variada gama de mecanismos que a própria natureza esculpiu durante os milhares de anos que teve para se divertir sozinha antes que nós aprendêssemos a modificá-la.

Os mecanismos mais óbvios, que conhecemos bem antes de termos conhecimento da existência de uma célula, são os das plantas. Apesar de pensarmos nesses seres vivos como a fonte mais provável das ferramentas que precisamos para construir um light switch, a biologia sintética utilizou até agora principalmente os dispositivos fotossensíveis de microorganismos fototróficos e quimiotróficos, presentes em uma grande quantidade de bactérias.

As fun√ß√Ķes de muitos fotorreceptores ainda n√£o s√£o muito claras, mas alguns exemplos na natureza da atividade desses mecanismos v√£o desde a regula√ß√£o da motilidade celular, forma√ß√£o de pigmentos, reparo de DNA, resposta ao stress , √† at√© “comportamentos multicelulares”, como a forma√ß√£o de biofilmes e de corpos de frutifica√ß√£o, como por exemplo a Stigmantella aurantiaca.

Corpo de frutificação da Stigmantella aurantiaca.

Corpo de frutificação de Stigmantella aurantiaca. Retirado da publicação de van der Hornst et al, mencionada no final do post.

A grande maioria das prote√≠nas fotossens√≠veis que a sele√ß√£o natural p√īde criar nesses milh√Ķes de anos, e que at√© agora conhecemos, pode ser classificada em seis fam√≠lias bem definidas, baseada na estrutura do crom√≥foro¬†absorvedor de luz, que podem ser: as famosas rodopsinas, os aqui j√° conhecidos fitocromos, as xantopsinas, os criptocromos, as tamb√©m famosas fotropinas e as prote√≠nas de dom√≠nio BLUF (blue light sensing using flavin (FAD), dom√≠nio utilizador de flavina sens√≠vel √† luz azul).

A natureza √© sutil; ela parte de princ√≠pios b√°sicos e com eles (utilizando um bocado de tempo) cria as mais variadas solu√ß√Ķes para um mesmo problema. Com os fotorreceptores n√£o √© diferente. Uma procura de similaridade de sequ√™ncias que codificam esses seis tipos de fotorreceptores no mecanismo de busca protein BLAST do NCBI¬†revela uma grande quantidade de sequ√™ncias similares nos genomas de diferentes esp√©cies, indicando um vasto n√ļmero de receptores ainda n√£o caracterizados em diversos microorganismos. Um exemplo dessa busca pode ser visto da lista deste link: Chemotrophic organisms containing protein photoreceptor domains.

O princípio básico dos fotorreceptores é: uma estrutura molecular que contenha um ou mais domínios que captam a luz (input) e outro(s) que transforme(m) isso em um sinal intracelular (output). Os domínios de input ligam-se a cofatores ou cromóforos, resultando em uma molécula capaz de absorver luz UV ou visível. O domínio do output pode possuir uma atividade enzimática, proteína-ligante, ou DNA-ligante.  Vejamos alguns domínios de input e de output comumente encontrados in natura.

Domínios de Input Domínios de Output
AppA: Anti-repressor de pigmentos fotossint√©ticos. O AppA foi a primeira prote√≠na com dom√≠nio BLUF caracterizada em Rhodobacter sphaeroides. Absorve na regi√£o dos 446 nm com o seu crom√≥foro FAD. Al√©m de sens√≠vel √† luz, est√° envolvida em rea√ß√Ķes redox.BLUF: Um dom√≠nio presente em v√°rias prote√≠nas fotoativas, sua estrutura √© similar, mas com um mecanismo funcional totalmente diferente, ao dom√≠nio PAS.

LOV: Uma subclasse do dom√≠nio PAS, nomeado LOV devido ao tipo de sinal que esse dom√≠nio detecta: Luz-Oxig√™nio-Voltagem (light-oxygen-voltage). Esse tipo de dom√≠nio foi descoberto em fototropinas de plantas e mais recentemente em prote√≠nas bacterianas. Um tipo de dom√≠nio bem “popular”.

PAS: De “Per-Arnt-Sim”, tr√™s reguladores transcricionais que cont√™m esse tipo de dom√≠nio. Outro tipo de dom√≠nio bem “popular” no quesito receptor de luz. Muitas prote√≠nas com dom√≠nio PAS s√£o conhecidas por transmitir o seu sinal associando-se a cofatores.

Fitocromo: Receptor de luz vermelha e infravermelho encontrado em plantas e bactérias, ligando-se em uma cromóforo de bilina (Lembra do red light switch? A Ficocianobilina é um desses cromóforos).

PYP: De photoactive yellow protein (proteína fotoativa amarela). Um receptor de luz citoplasmático que usa ácido p-coumárico como seu cromóforo. Sua absorção máxima é em 446 nm.

Rodopsina: Proteína composta por um conjunto de sete hélices intermembrana (ver imagem na tabela abaixo), ligando-se a um cofator retinal em seu centro hidrofóbico, absorvendo em maior parte luz verde. Há uma grande quantidade de estudo sobre ela.

YtvA: Um bem caracterizado domínio fotoreceptor de luz azul em Bacillus subitilis. Possui um domínio LOV que se liga ao cromóforo monoflavina (FMN), o que resulta numa absorção máxima em torno de 449 nm.

EAL: Domínio com atividade enzimática diguanilato-fosfodiesterase (traduzindo: envolvido na hidrólise de di-GMP cíclico, um importante sinalizador intracelular). Chama-se EAL por causa de sua sequência conservada de resíduos, mas também conhecido como DUF2.GAF: Domínio com atividade de adenilato-ciclase, guanilato-ciclase, e fosfodiesterase. Liga-se à um cofator bilina em alguns fitocromos.GGDEF: Similar ao EAL, possui atividade de ciclase em diguanilatos (di-GMP). Também possui seu nome devido à sua sequência conservada, conhecido também por DUF1.

HisKA: Domínio fosfoaceptor e dimerizador de proteínas histidina-quinases, importantes proteínas na sinalização intracelular.

HTH: Domínio de ligação ao DNA de reguladores de transcrição bacterianos. Eles se ligam ao DNA via seu motivo (sequência específica de aminoácidos) helix-turn-helix (hélice-dobra-hélice).

STAS: O domínio STAS, cujo nome significa domínio transportador de sulfato e antagonista de fatores anti-sigma (traduzindo: promove a atividade do tal fator de transcrição sigma), é o domínio de output do bem caracterizado YtvA, mas também encontrado em outros fotoreceptores.

Sabendo como as coisas s√£o naturalmente, √© poss√≠vel juntar diferentes pe√ßas desse zool√≥gico de dom√≠nios proteicos e formar diferentes light switches. Vejamos por exemplo o red light switch: basta juntar um dom√≠nio input de fitocromo e um output de liga√ß√£o ao DNA, no caso o GAL4. Para sintetizar um switch de luz azul, verde, amarelo, e etc, o princ√≠pio fundamental √© o mesmo: basta montar um input e um output desejados. O resto √© pura metodologia e testes.¬†Alguns exemplos de constru√ß√Ķes naturais podem ser:

Combina√ß√Ķes naturais de diferentes dom√≠nios Input e Output.

Imagem modificada retirada da referência deste post (van der Hornst et al.).
 

Como se pode ver, o dom√≠nio de input LOV parece ser o mais vers√°til, o que talvez explique a sua “popularidade” no mundo bacteriano dos dom√≠nios fotossens√≠veis. Encontra-se um LOV input ligado √† v√°rios tipos diferentes de outputs.

Uma coisa interessante a se levar em conta nessas constru√ß√Ķes naturais √© o tempo de altern√Ęncia entre os diferentes estados dos fotorreceptores, que como vimos no red light switch, se resume (na maioria dos casos) a um estado “ativo” quando exposto a luz e um “inativo” quando no escuro ou quando passado certo tempo de exposi√ß√£o. Quando o ciclo de mudan√ßa do estado ativo para o inativo √© um pouco lento, ele √© geralmente compat√≠vel com regula√ß√Ķes na express√£o g√™nica, enquanto graus r√°pidos de mudan√ßa s√£o relacionados com uma regula√ß√£o comportamental (que n√£o envolve diretamente uma regula√ß√£o g√™nica, como por exemplo o aumento da taxa de motilidade de uma bact√©ria quando exposta √† luz). Um ciclo de mudan√ßa ainda mais r√°pido sugere fun√ß√Ķes bioenerg√©ticas para o fotoreceptor. Isso √© um par√Ęmetro importante a se levar em conta no design de dispositivos sint√©ticos fotossens√≠veis.

No fundo, talvez grande parte da pr√≥pria biologia¬† sint√©tica se resume ao que discutimos aqui: mudan√ßa de informa√ß√£o com recombina√ß√£o. Ca√≠mos ent√£o no ponto recursivo da biologia. √Ä diferentes n√≠veis e abordagens sempre teremos¬† a mesma simples met√°fora dos blocos de montar: os blocos sempre s√£o os mesmos, o que muda √© a informa√ß√£o que colocamos neles ao fazermos diferentes estruturas com diferentes combina√ß√Ķes das unidades. Quer um light switch espec√≠fico que ainda n√£o foi feito? J√° est√° pronto, s√≥ basta combinar informa√ß√£o.

Em posts futuros mostraremos como combinar inputs e outputs para criar light switches de outras cores, novamente, com as constru√ß√Ķes feitas pelos de times de edi√ß√Ķes passadas do iGEM. Para maiores e melhores informa√ß√Ķes sobre fotorreceptores, vale consultar o √≥timo review de Michael van der Hornst et al:

van der Horst MA, Key J, & Hellingwerf KJ (2007). Photosensing in chemotrophic, non-phototrophic bacteria: let there be light sensing too. Trends in microbiology, 15 (12), 554-62 PMID: 18024131

Bionumbers


Olha aí um site bem legal: Bionumbers, um banco de dados numéricos biológicos!

Alguma vez voc√™s j√° se perguntaram: “Nossa, quantas mol√©culas de Glicose s√£o necess√°rias para dobrar a massa de uma E. coli?!” ou¬†“Poxa vida, seria √≥timo saber o di√Ęmetro de um neutr√≥filo…Qual ser√°?!”. Nunca se perguntaram?! N√£o!?

Pois √©, esse site tem os n√ļmeros que respondem a esses tipos de perguntas e a outras mais, citando as refer√™ncias dos trabalhos cient√≠ficos que¬†embasam¬†essas medi√ß√Ķes.

S√£o dados importantes que podem ajudar a dar aquele argumento de prova concreta no seu trabalho escolar ou tese, sem que voc√™ precise gastar muito tempo com isso. √Č claro que n√£o tem todas as informa√ß√Ķes que voc√™ procure: ainda nem todas as coisas foram medidas pela curiosidade humana. H√° lacunas, mas isso n√£o √© problema, o Bionumbers deixa reservado espa√ßos para que o avan√ßo da ci√™ncia as v√° preenchendo, citando as refer√™ncias que pelo menos d√™em algum tipo de detalhe do assunto.

O banco de dados foi criado em 2007 por pesquisadores do departamento de biologia de sistemas de Harvard e hoje é coordenado e desenvolvido por um dos criadores em seu laboratório no Instituto Weizmann, em Israel. Estão fazendo um trabalho muito legal.

Agora temos um pequeno desafio para você: Qual é a porcentagem de genes que codificam proteínas nos humanos? Hein!?

Vá lá e dê uma checada!

http://bionumbers.hms.harvard.edu/default.aspx