Cientistas descobrem novas ferramentas para reescrever o código da vida

O poder de editar genes √©¬†revolucion√°rio, √ļtil e com potenciais ilimitados. Por√©m,¬†a maior parte das ferramentas de edi√ß√£o de DNA s√£o lentas, caras e dif√≠ceis de usar ‚Äď √© uma brilhante tecnologia na sua inf√Ęncia. Agora, pesquisadores de Harvard desenvolveram uma t√©cnica que pode editar genomas de uma forma r√°pida e f√°cil, reescrevendo o genoma de c√©lulas vivas. A t√©cnica funciona como um processador de textos, que tem as fun√ß√Ķes de localizar e substituir. Ele reconhece uma seq√ľ√™ncia espec√≠fica no DNA e a substitui por outra.

‚ÄúPela primeira vez, estamos demonstrando que √© poss√≠vel fazer mudan√ßas gen√īmicas no n√≠vel do c√≥don‚ÄĚ, disse Farren Isaacs, um bioengenheiro da Universidade de Yale em New Haven, Connecticut. ‚ÄúN√≥s seremos capazes de introduzir novas funcionalidades em organismos”.

A t√©cnica, publicada na revista Science, explora a redund√Ęncia do c√≥digo gen√©tico. Os amino√°cidos, que comp√Ķem as prote√≠nas, s√£o codificados por combina√ß√Ķes de tr√™s letras de DNA chamadas c√≥dons. M√ļltiplos c√≥dons √†s vezes codificam o mesmo amino√°cido, por isso se diz que o c√≥digo gen√©tico √© degenerado ou redundante.

Isaacs e seus colegas escolheram um códon de parada, TAG, que, junto com o TAA e TGA, sinalizam o fim de uma cadeia de aminoácidos e a liberação da proteína formada. Como esses três códons apresentam a mesma função, os pesquisadores decidiram apagar todos os TAGs do
genoma de uma Escherichia coli e substitu√≠-los por TAAs, utilizando uma plataforma chamada “multiplex automated genome engineering, ou MAGE”. Isso deixa o TAG livre para codificar um novo amino√°cido.

Foram sintetizadas 314 fitas de DNA id√™nticas ao genoma da E. coli exceto que todos os TAGs, nas 314 fitas ao todo, estavam substitu√≠dos por TAAs. Em outras palavras,¬†cada uma das 314 fitas n√£o tinha todos os TAGs substitu√≠dos por TAAs, mas as 314 fitas juntas sim! Eles ent√£o aplicaram corrente el√©trica para permitir a entrada do novo DNA nas c√©lulas. Muitas repeti√ß√Ķes desta t√©cnica¬†resultaram na¬†obten√ß√£o de 31 linhagens da bact√©ria¬†com 10 dos genes modificados e¬†uma com 4. A equipe bolou um esquema para canalizar todas as 314 muta√ß√Ķes para uma c√©lula. Os pesquisadores fizeram uso da habilidade que as bact√©rias t√™m de transferir genes para outras bact√©rias, a conjuga√ß√£o: as 32 linhagens foram pareadas, sendo que uma linhagem doou seus genes mutados para a outra. As 16 linhagens resultantes foram pareadas para formar 8, e novamente para formar 4, condensando as muta√ß√Ķes ao longo desse processo. O processo foi batizado ‚Äúconjugative assembly genome engineering (CAGE)‚ÄĚ.

Ansiosos para compartilhar sua tecnologia, eles publicaram seus resultados assim que o CAGE atingiu a rodada semifinal. Os resultados sugerem que as quatro linhagens finais são saudáveis, mesmo com a quantidade de mudanças a que as células foram submetidas.

Ap√≥s mais duas rodadas de CAGE, segundo Isaacs, uma √ļnica linhagem da bact√©ria conter√° todas as 314 muta√ß√Ķes e ser√° livre de TAG, que ficar√° dispon√≠vel para codificar um amino√°cido artificial. Isso desafia as pessoas a imaginarem o genoma como algo muito male√°vel e edit√°vel. Alguns laborat√≥rios j√° criaram esses amino√°cidos, assim como a maquinaria necess√°ria para incorpor√°-los em prote√≠nas. ‚ÄúO grande avan√ßo aqui √© que n√≥s teremos um hospedeiro que permitir√° a incorpora√ß√£o de amino√°cidos artificiais a taxas muito superiores‚ÄĚ, disse Isaacs.

Estes organismos engenheirados seriam geneticamente isolados de outros organismos. A nova informa√ß√£o gen√©tica n√£o seria capaz de contaminar organismos naturais¬†porque, fora do laborat√≥rio, os¬†amino√°cidos naturais no lugar dos artificiais criariam prote√≠nas n√£o funcionais. Al√©m disso, esses organismos seriam imunes a v√≠rus que se baseiam na tradu√ß√£o prot√©ica tradicional ‚Äď importante para manter linhagens saud√°veis e √ļteis industrialmente. A import√Ęncia da imunidade viral reside no fato de que ind√ļstrias nas quais s√£o cultivadas bact√©rias, como as farmac√™uticas e energ√©ticas, esses v√≠rus podem afetar at√© 20% das culturas. Um exemplo not√°vel acometeu a Genzyme, cujas perdas devido a contamina√ß√Ķes virais podem ter variado de milh√Ķes de d√≥lares a at√©¬†$1 bilh√£o.

“Essa t√©cnica √© mais barata que tentar elaborar genomas a partir do zero. Ao modificar genomas existentes, a maior parte do trabalho j√° est√° feita”, disse o co-autor George Church, um geneticista da Harvard Medical School em Boston, Massachusetts.

Cientistas do J. Craig Venter Institute (JCVI), que no ano passado ‚Äúcriaram‚ÄĚ a primeira bact√©ria controlada por um genoma sint√©tico, dizem que o m√©todo traz coisas importantes para esse campo de estudo, mas s√≥ funciona na pr√°tica se o genoma desejado √© similar a um organismo existente. ‚ÄúUltimamente, no JCVI n√≥s estamos tentando fazer c√©lulas a partir do zero, e apenas uma s√≠ntese gen√īmica de novo tornaria isso poss√≠vel‚ÄĚ, disse um porta-voz do Instituto via email.

As duas t√©cnicas provavelmente ser√£o usadas em conjunto, disse Isaacs. ‚ÄúN√£o surpreenderia se essas tecnologias se unissem e n√≥s come√ß√°ssemos a ver t√©cnicas h√≠bridas inclusive mais poderosas do que as que vemos hoje‚ÄĚ.

Referências:

Precise Manipulation of Chromosomes in Vivo Enables Genome-Wide Codon Replacement  Isaacs, et al. Science 15 July 2011: 333 (6040), 348-353. [DOI:10.1126/science.1205822]

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2011-07/hms-etg071111.php

http://www.nature.com/news/2011/110714/full/news.2011.419.html

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Inside iGEM: Eventos Passados

iGEMA competi√ß√£o surgiu oficialmente em 2005, resultado do per√≠odo de atividades independentes (AIP) do MIT, em que a universidade, assim como muitas outras, abre as portas para cursos fora do per√≠odo letivo, na √©poca de f√©rias.¬† Respectivamente nos anos de 2003 e 2004, times de estudantes do pr√≥prio MIT desenvolveram osciladores biol√≥gicos com prote√≠nas-rep√≥rter fluorescentes (como vimos aqui no blog) e sistemas gen√©ticos para criar padr√Ķes celulares (Imagem abaixo) como os de “pontinhos” (chamados de polka dots) ¬†e de “alvo” (chamados de bull’s eye formation).

Polka Dots, Bull's Eye formations e o Coliroid Film

Ainda em 2004, junto com as atividades do AIP, foi criada a¬†“Summer Competition”, uma competi√ß√£o √† l√° iGEM mas com¬†apenas cinco universidades participantes, todas norte-americanas:Boston University, Caltech, o pr√≥prio MIT, Princeton University e a¬†University of Texas ¬†at Austin; foi a primeira verdadeira competi√ß√£o¬†de biologia sint√©tica.O grande destaque dessa competi√ß√£o pr√©-iGEM¬†foi a universidade do Texas, que segundo a p√°gina da¬†competi√ß√£o¬†criou o primeiro filme fotogr√°fico biol√≥gico do¬†mundo, o “Coliroid Film” (Imagem acima).

Esse evento acabou impulsionando Randy Rettberg, Tom Knight e Drew Endy a fundarem em 2005 o evento internacional que conhecemos hoje, com cerca de 13 times, com os mais variados projetos.

Destaques

Desde o per√≠odo de atividades independentes de 2004 at√© 2010, 434 times e projetos j√° participaram da competi√ß√£o, com id√©ias e solu√ß√Ķes¬† criativas e inovadoras para problemas da humanidade, o que torna dif√≠cil apresentar todos os destaques das competi√ß√Ķes al√©m dos finalistas e vencedores do Biobrick Trophy.

Logo no in√≠cio, em 2005, enquanto a¬†competi√ß√£o ainda estava engatinhando e os crit√©rios de julgamento ainda n√£o estavam bem consolidados, n√£o houve um BioBrick Trophy e houveram at√© algumas premia√ß√Ķes um tanto n√£o-convencionais em compara√ß√£o aos iGEM’s que se seguiram, como o “Best ‘Show Must Go On’ Moment” dado √† Princeton, o “George W.Bush Geography Award” (provavelmente uma brincadeira envolvendo as gafes geogr√°ficas do ex-presidente norte-americano) dado √† universidade de Zurique, e o “Best Project Name” dado¬† √† universidade de Toronto devido ao trocadilho com o nome do time e o projeto: “Cell-See-US”, que desenvolveu um tipo de term√īmetro com bact√©rias, fazendo uma analogia √† unidade Celsius de medida de temperatura.

Alguns destaques interessantes da competição desse ano foram:

  • Harvard: Criaram componentes que escrevem e apagam para um “caderno de desenho bacteriano”, utilizando luz e calor para respectivamente induzir a express√£o e degradar prote√≠nas rep√≥rter em uma placa.
  • UCSF (Universidade da Calif√≥rnia, S√£o Francisco): Desenvolveram term√īmetro biol√≥gico program√°vel, apesar de in√≠cio, segundo a wiki de 2006, ambicionarem apenas um detector biol√≥gico de temperatura. Ganhador do primeiro “Best Device Award” do iGEM.
  • Penn State: Construiram um mecanismo gen√©tico de controle quimiot√°xico usando BioBricks. Ganhador do “Best Brick Award”.
À partir de 2006 a competição passou a contar com o Bibrick Trophy, e com grande parte das regras de hoje. Um overview desde esse ano até hoje conta com os seguintes times que despontaram com os melhores projetos em cada ano:
(Clique no logo das universidade para ir para a wiki de cada projeto)
Terceiro Lugar Segundo Lugar Vencedor
2010
2009
2008
2007
2006

Durante a avaliação dos projetos são escolhidos 5 finalistas, dentre eles figuram com frequência a Imperial College of London e UC Berkeley, além das famosas como Cambridge e Harvard. Fama também o que a Universidade da Eslovênia Рdo modesto país europeu Рtem ganhado com essa competição: três vezes campeã e uma vez entre os 5 finalistas em 2007; contrariando a expectativa de reproduzir o ranking das melhores universidades do mundo, o que é confirmado pela forte presença das universidades asiáticas como a de Peking e a USTC.

√Č nesse ambiente plural e rico cientificamente (e porque n√£o culturalmente?) em que florescem os projetos em biologia sint√©tica mais impressionantes e competitivos todos os anos, mas muita coisa mudou desde 2006, e √© sobre isso que vamos falar no pr√≥ximo post da s√©rie Inside iGEM: O Futuro e Hoje.

Por falar em futuro, e o pa√≠s do futuro? Onde entra nessa hist√≥ria!? N√≥s aqui da uspl√Ęndia n√£o somos os primeiros a pensar no iGEM. Veremos tamb√©m a participa√ß√£o tupiniquim representada pela Unicamp em 2009 e agora em 2011. Ent√£o, at√© o pr√≥ximo post!

7¬ļ Congresso Brasileiro de Biosseguran√ßa

via Ag√™ncia FAPESP ‚Äď O 7¬ļ Congresso Brasileiro de Biosseguran√ßa, organizado pela Associa√ß√£o Nacional de Biosseguran√ßa (ANBio), ser√° realizado em Joinville (SC) de 19 a 23 de setembro.

Sob o tema ‚ÄúAvan√ßos da Biologia Sint√©tica e desafios da Biosseguran√ßa‚ÄĚ, o evento ocorrer√° junto √† Confer√™ncia Internacional para a Am√©rica Latina e Caribe de Biosseguridade e Biosseguran√ßa.

Estudantes, profissionais e pesquisadores debaterão os riscos ambientais diante os avanços tecnológicos, a biologia sintética na agricultura, a ética, a divulgação científica, os desafios de manejo e riscos em laboratórios de pesquisa e a regulamentação do setor.

A programação do encontro, que ocorrerá na Universidade de Joinville (Univille), inclui palestras, mesas-redondas e minicursos.

Entre os especialistas internacionais confirmados est√£o Andrew Hessel, da Singularity University, Paul Huntly, da Biorisk, e Paul Langevin, vice-presidente da Merrick Canada.

Mais informa√ß√Ķes e inscri√ß√Ķes: http://www.anbio.org.br/congresso/2011/2011.pdf

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Scinamate Synthetic Biology

Vídeo legal sobre SynBio

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O que é a vida!?

Talvez essa seja a pergunta Рou pelo menos variantes dela Рque todos os que têm coragem de se perguntar, se perguntam pelo menos uma vez na vida.

Bem, o m√≠nimo que podemos concluir desse metaquestionamento √© que, se nos perguntamos isso, √© porque estamos vivos e ponto final.¬† O que seria uma das conclus√Ķes que voc√™ poderia tirar da frase que Descartes ficou convencidamente orgulhoso de ter elaborado: “Penso, logo existo!”. Mas esse √© um site sobre biologia sint√©tica, e como tal devemos tagarelar sobre como subjugar a Biologia ainda mais √† nosso favor (com todo o respeito Biologia!), e n√£o sobre essas coisas incertas de fil√≥sofos!

√Č a√≠ que o pobre estudante, simpatizante, ou entusiasta do assunto se engana (i.e., leitor do blog). Toda a ci√™ncia, por mais complexa e rebuscada que se torne, chega a um ponto em que deve olhar para as suas entranhas e dizer: “Mas o que significa isso mesmo!?”.

Todas não, vai! A matemática já é bastante crescidinha para esse tipo de coisa. Já superou suas crises e faz tempo que vem descrevendo perfeitamente a realidade bem antes de a maioria das pessoas conseguir interpretar sua abstração como algo mais tangível.

A F√≠sica por exemplo, passou s√©culos podendo ser entendida sem maiores preocupa√ß√Ķes filos√≥ficas, at√© chegar nos problemas qu√Ęnticos. Nessa fase, uma pergunta puramente filos√≥fica √† olhos leigos – e tamb√©m para um certo n√ļmero consider√°vel de n√£o-leigos – poderia ser: “Como uma coisa pode e n√£o pode estar no mesmo lugar ao mesmo tempo?” ou “Como um gato pode estar vivo e morto ao mesmo tempo dentro de uma caixa!?”. Mas a√≠ a Matem√°tica, com toda sua experi√™ncia, d√° um tapinha nas costas da F√≠sica (a que muitos atribuem o parentesco de filha) e a ajuda em seus problemas existenciais, mesmo que muitos seres humanos n√£o tenham a capacidade de compreender √† primeira vista como ela ajudou. Mas isso √© s√≥ um detalhe.

E a Biologia!? Ela vem sofrendo de um problema existencial h√° muito tempo, e agora as coisas v√™m piorando; coitada. Ela j√° estava combalida por causa de uma velha hist√≥ria indecisa sobre considerar um v√≠rus como vida ou como “pseudovida”, e agora ainda v√™m uns astrobi√≥logos a√≠ com o papinho de “temos que acabar com os nossos preconceitos sobre o que √© vida para conseguir procurar e encontrar adequadamente vida fora da Terra”. E que ainda por cima, t√™m a aud√°cia de comprovar que o querido √°cido nucleico, a pe√ßa chave na propaga√ß√£o de toda a vida, pode ser de uma maneira bem diferente (ok, nem tanto diferente) da que conhec√≠amos como “normal”. Isso sem falar nesses pesquisadores aqui¬†(do post anterior) que conseguiram fazer em laborat√≥rio uma bact√©ria com um nucleot√≠deo considerado t√≥xico, que na pr√°tica, √© quase o mesmo que fazer o que o pessoal da Nasa fez, mas sem o estardalha√ßo incompreendido na m√≠dia (ou seria a m√≠dia incompreendendo o estardalha√ßo?).

“Mas o que eu tenho a ver com essas neuras das ci√™ncias!?”, poderia se perguntar a pessoa mais desavisada. Eu diria que tudo.

As sociedades mais predominantes no mundo, apesar de terem o pensamento cient√≠fico seguindo uma l√≥gica singular, t√™m uma cultura extremamente plural. Fato. Isso quer dizer ent√£o, √† priori, que existem mais maneiras diferentes dessas culturas verem a ci√™ncia do que o contr√°rio; e as maneiras de influenciar a ci√™ncia s√£o bem maiores quando ela abre margem para discuss√£o de seus conceitos incertos, como “o que √© vida!?”.

Aos olhos de uns, as perip√©cias do grupo de Craig Venter (que criaram a “c√©lula artificial” Mycoplasma laboratorium) podem ser “brincar de Deus”, aos olhos de outros pode ser apenas “a linhagem de bact√©ria geneticamente mais ‘enxuta’ que j√° se conseguiu criar”. √Č nesse modelamento extremo da vida que a opini√£o sobre “o que √© a vida!?” faz muito a diferen√ßa. Em geral essa pluralidade de vis√Ķes √© ben√©fica, pois ajuda a regularizar muita coisa potencialmente perigosa e n√£o-√©tica. Mas por causa da falta de informa√ß√£o, pode gerar muito preconceito e dificultar v√°rias pesquisas que poderia ajudar muita gente. Vide por exemplo o uso das c√©lulas tronco: qual √© sua opini√£o? Agora voc√™ consegue ver a implica√ß√£o na sua vida do t√≠tulo desse post!?

Parece que a Biologia vai ter que ficar filosofando ainda um bom tempo sobre suas entranhas para responder algumas perguntas, mas isso talvez seja s√≥ um lembrete da s√°bia m√£e Filosofia: de que pragmatismo em excesso e falta de questionamento geralmente n√£o caem bem para o est√īmago das ci√™ncias.

Bact√©ria com subst√Ęncia qu√≠mica t√≥xica incorporada ao DNA

Uma equipe internacional de pesquisadores alcan√ßou sucesso em obter uma bact√©ria que possui o DNA no qual a base timina foi substitu√≠da por 5-Chlorouracil, uma subst√Ęncia sint√©tica t√≥xica para outros organismos.

O trabalho experimental foi baseado numa tecnologia √ļnica desenvolvida por Marli√®re e Mutzel, possibilitando a evolu√ß√£o dirigida de organismos sob condi√ß√Ķes estritamente¬† controladas. Popula√ß√Ķes de bact√©rias foram cultivadas por per√≠odos prolongados na presen√ßa de uma subst√Ęncia qu√≠mica t√≥xica ‚Äď no caso, a 5-Chlorouracil ‚Äď a n√≠veis que n√£o provocam a morte, dessa forma selecionando as c√©lulas tolerantes a altas concentra√ß√Ķes dessa subst√Ęncia.

Em resposta ao surgimento dessas mutantes na popula√ß√£o, a concentra√ß√£o do 5-Chlorouracil no meio de cultura¬†foi aumentada para manter a press√£o seletiva constante. Esse procedimento de evolu√ß√£o a longo prazo foi aplicado para adaptar E. coli geneticamente modificadas incapazes de sintetizar timina para crescerem num meio com concentra√ß√Ķes crescentes de 5-Chlorouracil. Ap√≥s 1000 gera√ß√Ķes aproximadamente, descendentes da linhagem inicial foram analisados, sendo que estes utilizaram o¬†5-Chlorouracil como substituto da timina. An√°lises subseq√ľentes do genoma revelaram numerosas muta√ß√Ķes no DNA das bact√©rias adaptadas. A contribui√ß√£o dessas muta√ß√Ķes para a adapta√ß√£o das c√©lulas ser√° objeto de estudos posteriores.

Al√©m do interesse √≥bvio dessa mudan√ßa radical na qu√≠mica de sistemas vivos para a pesquisa b√°sica, os cientistas tamb√©m consideram os resultados de seu trabalho relevantes para xenobiologia, um ramo da biologia sint√©tica. Essa nova √°rea das ci√™ncias da vida tem como objetivo a gera√ß√£o de novos organismos n√£o encontrados naturalmente, com caracter√≠sticas metab√≥licas otimizadas para, por exemplo, a produ√ß√£o de modos alternativos de energia e s√≠ntese de produtos qu√≠micos de alto valor. Assim como os transg√™nicos ou organismos geneticamente modificados, essas bact√©rias sint√©ticas s√£o vistas como potencial amea√ßa para ecossistemas naturais quando liberadas do laborat√≥rio, seja pela competi√ß√£o com organismos selvagens ou atrav√©s da difus√£o do ‚ÄúDNA sint√©tico‚ÄĚ.

√Č √≥bvio que mesmo tentando conter, n√£o √© poss√≠vel evitar absolutamente que seres vivos geneticamente modificados entrem em contato com h√°bitats naturais, assim como os is√≥topos radioativos que escapam para as redondezas de uma regi√£o de usina nuclear. Entretanto, organismos sint√©ticos assim como os do presente trabalho – que dependem da disponibilidade de determinadas subst√Ęncias para sua prolifera√ß√£o ou que incorporam compostos qu√≠micos n√£o naturais em seu DNA – n√£o tem condi√ß√Ķes de competir com animais selvagens nem trocar DNA com eles.

Referências

Marlière, P., Patrouix, J., Döring, V., Herdewijn, P., Tricot, S., Cruveiller, S., Bouzon, M. and Mutzel, R. (2011), Chemical Evolution of a Bacterium’s Genome. Angewandte Chemie International Edition, 50:
n/a. doi: 10.1002/anie.201100535

Thymine Replacement Directs Bacterium DNA Evolution

An international team of researchers has now succeeded in generating a bacterium possessing a DNA in which thymine is replaced by the synthetic building block 5-Chlorouracil, a substance toxic for other organisms.

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