BioWindows – A Microsoft pode estar reinventado o futuro mais uma vez

Considerado uma das pessoas mais importantes do século pela revista Times, Bill Gates dispensa apresentações. No início do ano, ele retirou mais de um bilhão de dólares investidos na Coca-Cola, McDonalds e Exxon. O motivo? Gates pretende focar em empresas que visam além do lucro também melhorar o futuro da humanidade. A Microsoft também está seguindo essa meta. Nos últimos anos a empresa tem trabalhado para acelerar pesquisas que envolvem desde o aquecimento global até a biologia sintética.

Talvez você não saiba, mas Bill Gates investe em biotecnologia há mais de 25 anos. A primeira empresa em que ele apostou foi a ICOS, um laboratório focado no desenvolvimento de medicamentos para o tratamento de doenças inflamatórias que mais tarde foi comprado pela farmacêutica Eli Lilly. Mas os investimentos não pararam por aí. A Microsoft tem uma divisão empenhada em solucionar problemas globais por meio da tecnologia, a Microsoft Research. Nesse laboratório são desenvolvidos softwares capazes de acelerar pesquisas em diferentes campos da ciência.

Bill

Na biologia sintética, o design racional de células que desempenhem comportamentos previsíveis permanece um desafio para os pesquisadores, e é nisso que uma das pesquisas da empresa está focando. A Microsoft Research vem trabalhando há mais de dez anos para criar softwares e linguagens de programação que permitam ao pesquisador selecionar tudo aquilo que ele deseja que uma célula sintética execute, sem precisar se preocupar com todas as possíveis combinações de genes e sequências regulatórias disponíveis. A partir dessas informações, o software forneceria as melhores sequências de DNA para que a célula realize tal função, economizando tempo e dinheiro.

Os pesquisadores da empresa desejam que tais programas sejam fáceis de usar, atingindo assim um maior número de usuários possíveis.

MSR

Em mais de uma ocasião, Bill Gates comentou que se fosse adolescente nos dias de hoje teria optado por estudar biologia e genética. Em 2012, a receita doméstica de produtos geneticamente modificados nos Estados Unidos foi de U$ 350 bilhões, valor que tem crescido 15% ao ano. Para efeito de comparação, é o equivalente a quase 10% do PIB do Brasil no mesmo período. De acordo com Stephen Emmott, responsável pela ciência computacional da empresa, a Microsoft quer fazer para os softwares de modelagem aquilo que ela fez para os softwares de negócios Excel e Word. Isso mostra que ela pode estar reinventando o futuro mais uma vez.

5 empresas que estão utilizando a biotecnologia para mudar o mundo

Todos os dias, mais de 90 milhões de barris de petróleo são produzidos e mesmo assim este número continua a crescer. O  consumo deve chegar próximo de 100 milhões em 2020. A queima e o refino do petróleo são grandes responsáveis pela poluição, o aquecimento global e danos à saúde. Felizmente muitas empresas estão buscando alternativas renováveis e aqui vão 5 exemplos.

DuPont

A mais velha da lista, a DuPont utiliza microrganismos e açúcar de milho para produzir produtos renováveis de diferentes finalidades, desde vestuário até móveis. Um desses produtos, o Sorona® EP, é um plástico termo resistente atualmente empregado no Toyota Prius.

Toyota Prius Alpha

 

LanzaTech

Fundada em 2005 e com sede nos EUA, a LanzaTech emprega arqueobactérias que são capazes de transformar a poluição em produtos renováveis, como combustíveis, nylon e borracha.

LanzaTech

Gases poluentes ricos em carbono provenientes da indústria, como a siderúrgica, vão para um bioreator, onde os microrganismos fermentadores se encarregam de tranformá-los em etanol e outras moléculas que são utilizadas para produzir plástico, fibras sintéticas e borracha. O etanol da LanzaTech não depende de fontes de alimentos e terras aráveis, como o álcool obtido a partir do milho ou da cana-de-açúcar. Com apenas 10 anos, a empresa já possui 85 patentes e outras 250 pendentes. A primeira fábrica em escala comercial começa a operar ainda esse ano na China, e a companhia aérea Virgin Atlantic deve ser a primeira a voar com o combustível.

 

Sapphire Energy

Fundada em 2007, e com três plantas na Califórnia e Novo México, a Sapphire Energy é a primeira e única empresa no mundo a utilizar algas para produzir petróleo. Seu petróleo renovável recebeu o nome de Green Crude, e não depende de água potável nem de terras aráveis. As algas capturam dióxido de carbono durante processo, o que faz o Green Crude neutro em emissões de CO2. Com investidores como Bill Gates, a família Rockfeller e a Monsanto, a empresa espera que ele seja competitivo com o petróleo fóssil já em 2018.

Sapphire

 

NatureWorks

Em média, cada pessoa no mundo irá consumir 45 kg de plástico em 2015, e apenas uma parte disso será reciclado. De olho neste mercado, a NatureWorks criou o Ingeo™, um plástico revolucionário.

Bioserine

Sua fábrica nos EUA utiliza o açúcar proveniente de plantas e leveduras para produzir ácido lático, o responsável por formar o plástico PLA (ácido polilático). Ele é capaz de substituir o PET e o PS, presentes em garrafas, talheres descartáveis e eletrônicos. Ao contrário do plástico derivado do petróleo, ele é facilmente reciclado e gera 60% menos gases do efeito estufa.

 

Amyris

Criada em 2003 e com cerca de 400 funcionários, a empresa americana emprega biologia sintética para produzir produtos químicos renováveis utilizados em cosméticos, fragrâncias, combustíveis e medicamentos.

Com apoio da fundação Bill & Melinda Gates, a Amyris desenvolveu uma levedura capaz de criar um precursor da artemisinina, o medicamente utilizado no tratamento da malária, doença que mata todos os anos mais de meio milhão de pessoas. Em 2013, a empresa farmacêutica Sanofi iniciou a produção da artemisinina utilizando essa tecnologia.

No Rio de Janeiro e em São Paulo, o combustível da empresa, o Diesel de Cana™, é utilizado diariamente por cerca de 400 ônibus. Em 2014, a GOL fez o primeiro vôo comercial com uma mistura contendo 10% de combustível renovável.

amyris (2)

 

A Revista The Economist do mês passado apontou a biotecnologia como um dos campos que mais poderão contribuir para a evolução humana no futuro. Pelo jeito algumas empresas já saíram na frente.

 

 

Produção em massa, o jeito chinês de fazer ciência

Depois de 35 anos de impressionante desenvolvimento, a China começa a ser reconhecida não apenas pela sua capacidade de produzir e exportar produtos de baixo custo mas também com alta tecnologia. E não são apenas bens materiais que ela anda produzido em massa, mas agora o sequenciamento do DNA, por exemplo. É o que alguns já estão chamando de “Bio-Google”. Seguindo a filosofia, “sequenciar tudo aquilo que se mexe”, o Beijing Genomics Institute (BGI) possui 50% da capacidade de sequenciamento do mundo e já leu mais de 50.000 genomas nos últimos anos.

O BGI fica localizado em uma antiga fábrica de sapatos em Shenzhen, o Vale do Silício chinês, BGI 2e participa de projetos que vão desde sequenciar uma bactéria até a busca por genes ligados à inteligência. Muitos dos estudos são conduzidos por pesquisadores de todas as partes do mundo, e o BGI oferece preços baixos e até de graça para aqueles que compartilham seus resultados.

Um desses projetos, chamado 3M, planeja sequenciar 3 milhões de genomas, sendo 1 milhão de plantas e animais, 1 milhão de humanos e 1 milhão de microrganismos. O Instituto participa de outras iniciativas como o controverso sequenciamento de 2000 pessoas com QI elevado para desvendar genes que influenciam na inteligência. Há também o sequenciamento de 10.000 pessoas com autismo, o de 2.000 pessoas obesas e o de 2.000 magras. Além disso, também possui uma parceria com a fundação Bill e Melinda Gates para o desenvolvimento da agricultura e saúde em países subdesenvolvidos. Trabalhando em projetos como esses, o BGI já colaborou em mais de mil publicações em revistas de alto impacto como Nature, Science e Cell.

O Instituto está chamando a atenção do mundo pelo volume de dados que estão sendo produzidos. Segundo Lincoln Stein, pesquisador do Ontario Institute for Cancer Research, a questão agora não é mais o quão próximo estamos de um sequenciamento do genoma que custe U$1.000, mas sim, de uma análise do genoma a U$100.000. Outro desafio é o armazenamento de tudo isso, já que 6 terabytes de dados são produzidos por dia.

Zhang Yong, um dos pesquisador do BGI, acredita que na próxima década o Instituto será capaz de organizar toda essa informação biológica em uma espécie de “Bio-Google”.

BGI 1

Muitos achavam que o BGI estava apenas prestando um serviço, quando em 2013 ele adquiriu um fabricante de equipamentos e software para sequenciamento localizado na Califórnia, a Complete Genomics, e isso já está tirando o sono de muita gente. Agora a pesquisa pode se tornar ainda mais barata, já que equipamentos e reagentes representam grande parte do orçamento.

Enquanto isso no Brasil, a falta de planejamento de médio e longo prazo, a dificuldade em reter pessoas qualificadas, a ausência de uma cultura empreendedora que estimule a criação de empresas que sirvam de sustentação à pesquisa, nos deixa cada dia ainda mais distante dos centros de vanguarda. E isso apenas contribui para elevar nosso custo em P&D, além de nos tornar reféns de equipamentos e reagentes importados, notadamente agora com o dólar passando a barreira dos R$3,00. Talvez em breve nossas amostras sejam analisadas por um equipamento chinês em Los Angeles, Istambul, Shenzhen, ou então, numa facility chinesa ao lado da sua casa.

 

As Incríveis Novas Reuniões do Clube de Biologia Sintética

bem vindo ao clube

É isso aí! Depois de um silêncio sepulcral no blog, uma medalha de prata no iGEM regional e mil projetos em andamento, retomamos oficialmente as reuniões do, agora “Incrível Novo Clube de Biologia Sintética”.

“Mas, Otto, porque ele agora é ‘Incrível’?”

Bem, na verdade eu não sei. Sugiro que você compareça para descobrirmos juntos. Mas eu juro de pés juntos que eu espero que seja incrível. Sabe porque? Porque vamos fazer tudo em um novo formato bem menos chato, mais participativo e… Com as transmissões por YouTube funcionando!

As reuniões terão duas partes: 20-30 minutos de uma apresentação temática pré-estabelecida e mais meia hora de reunião aberta para qualquer um levantar uma discussão, apresentar algo interessante que leu em algum lugar, divulgar uma ideia, dar notícias de projetos ou propor um novo tema para as próximas reuniões.

Nós até imprimimos cartazes lindões e espalhamos pela USP, olha só:

fotos vivi cartaz

A nossa filosofia de grupo também ficou mais definida e coesa: não, não somos um bando de alunos que fica fazendo times para o iGEM, somos um bando de alunos que forma bandos de alunos que discutem biotecnologia – e nesse processo, formamos espontaneamente equipes e grupos para diversas oportunidades (inclusive o iGEM).

Sobre o que de fato vocês planejam discutir?

Bem, até hoje discutimos projetos de bioengenharia, ou seja, envolvendo microrganismos geneticamente “engenheirados”. De novo: microrganismos, não Beagles ou ratinhos! (Até agora… Haha, BRINKS!)

Seguimos a abordagem da Biologia Sintética nisso tudo, que é tentar gerar metodologias e equipamentos mais baratos, rápidos e ainda precisos para fazer diversas coisas em biotecnologia, aplicando camadas de abstração (essa é pra vocês, exatas) para desenvolvimento de ideias. E tudo se preocupando com as questões éticas e, como costumamos chamar, de “Práticas Humanas”, envolvendo educação e informação sobre biotecnologia.

Portanto, estamos abertos a todos que querem fazer da Biologia uma ciência exata, na medida do possível – sem deixar de se preocupar em como isso impactará a sociedade.

“Eu não manjo nada de Bio. Não sei se vou aproveitar…”

Vai aproveitar sim! Somos um grupo interdisciplinar e vai ter muita gente que sabe o que você não sabe mas também você vai saber alguma coisa muito melhor do que muita gente também. Os conceitos de Biologia Molecular serão introduzidos durante os processos de discussão e nos preocuparemos que todos que não são da área possam entender – da mesma maneira que, o Marcelo (também escritor do blog), fez esse semestre um minicurso de modelagem matemática de sistemas biológicos para quem é de biológicas entender modelagem. O importante é aprender fazendo!

Quem pode participar?

Você é de exatas e quer aprender mais de biotecnologia? Pode vir!

Você é de biológicas e quer trabalhar de maneira “mais exata”? Venham aí!

Você é de humanas? Venha também pra colocar juízo e crítica nas nossas discussões!

Enfim: todos interessados podem participar! Principalmente se você acha que pode fazer mais com sua criatividade e iniciativa. Traga suas ideias, projetos e discussões!

O principal objetivo de tudo é: que seja divertido.

E também que todos aprendam nesse processo, é claro.

Quando e Onde!?

As reuniões serão todas as quartas feiras, começando nessa quarta, dia 30 de Outubro, das 18:30 às 19:30.

Tudo acontecerá, a priori, sempre na Biblioteca das Químicas, no campus da USP do Butantan, aqui:


Exibir mapa ampliado

E o resto?

Bem, ainda devemos divulgar muitas notícias (motivo pelo qual estivemos ocupados a ponto de deixar o blog paradão), dentre elas:

  • Teremos um site lindo e maravilhoso! Não seremos mais um blog que quer ser um site, mas um site que que tem um blog! (Ainda estaremos na plataforma do SBBr!)
  • Estamos discutindo oportunidades dentro da USP para maior apoio e formalização da iniciativa. Divulgaremos em breve, caso tudo dê certo.
  • Sim, fomos no iGEM regional de novo esse ano! Levamos prata outra vez, mas ficamos felicíssimos (tá, muito felizes, felicíssimos seria se fôssemos todos pra Boston também) com nosso trabalho, e principalmente, com o time brazuca da UFMG que emplacou o Brasil lá em Boston esse ano! Bão demais esse pessoal, seu!
  • Fizemos um jogo de cartas de biotecnologia envolvendo BioBricks! Ficou muito legal, deem uma olhada num preview das cartas:

pesquisador_fujita

Ainda estamos devendo um post bonitinho da experiência no iGEM deste ano, além de outros posts para ajudarem as outras iniciativas brasileiras que estão nascendo. Paciência, chegaremos lá, prometo!

Então, venham praticar uma desobediência tecnológica e criativa, pessoal! Aqui vai ter gente boa igual a você pra se divertir com ciência, empreendedorismo e interdisciplinariedade. 🙂

Empreendedorismo, Inovação e Biologia Síntetica

 

Escrito por: Mira Melke
empreendendo em biologia sintética

A princípio, traçar um paralelo entre empreendedorismo e biologia sintética pode ser um pouco complicado, principalmente se pensarmos em complexidades de projetos e na falta de investimento em pesquisa que  temos aqui no Brasil advinda da iniciativa privada.

A  visão de não investir em pesquisa e inovação está se alterando e hoje grandes empresas já olham para as universidades como fontes  de tesouros – geração de conhecimento e mão-de-obra especializada. Mas não são apenas as grandes empresas que podem se beneficiar desse crescimento da pesquisa. Universitários com boas ideias e atitudes empreendedoras estão mostrando que inovar é o primeiro grande passo para o sucesso. Com auxílio de incubadoras ou investidores muitos jovens das formações mais distintas levantam-se dos bancos das salas de aulas e laboratórios e assumem um novo posto: o de empresário.

A biologia sintética surge como uma ferramenta muito interessante para aqueles que gostam de inovar e tem boas ideias. Apesar da aparente complexidade, os processos laboratórias estão cada dia mais baratos e “automatizados” permitindo que sejam desenvolvidos processos metabólicos em organismos como se desenvolve uma linha de produção numa empresa. Saber usar a maquinaria celular (enzimas, por exemplo) ao nosso favor pode ser a diferença entre processos químicos demorados e caros ou uma síntese biológica com baixo custo, alta produtividade, pureza e rapidez.

Muitas áreas diferentes podem se beneficiar do estudo da biologia molecular de forma automatizada e muitos exemplos da aplicação de microrganismos podem ser citadas: alimentos, combustíveis, fármacos até mesmo circuitos elétricos já receberam suas contribuições dos organismos geneticamente modificados. Apesar de pensar que a biologia sintética pode transformar o mundo, podemos começar transformando nossas vidas com ideias simples mas lucrativas, como fez o grupo vencedor do iGEM de 2012 que desenvolveu um detector para carne em decomposição e como fizemos ao desenvolver o plasmídeo plug and play e como pretendemos fazer agora em 2013 com os projetos que estamos começando a desenvolver.

Para ajudar a ilustrar, vou dar um exemplo, mas sem nome de pessoas ou compostos. (rs)  O laboratório de um dos meus professores encontrou uma bactéria capaz de produzir uma substância antioxidante que acreditava-se ser produzida apenas por plantas. O custo de plantação, extração e purificação da substância é bastante alto e isso faz com que o valor de mercado dessa tal substância seja muito elevado. Identificar, isolar e manipular os genes responsáveis por essa propriedade tão única da bactéria e transferi-los para um organismo mais conhecido e manipulável, como a E.coli pode significar uma grande economia para produção, uma patente e um lucro gigantesco para aquele que conseguir produzir em um frasco num shaker quantidade similar do composto que é produzida por uma fazenda inteira.

E aí? Vamos ficar ricos com a Biologia Sintética? Não sei, mas essa já é uma boa ideia.

Calculadora para sítios de ligação com ribossomos (RBS)

RBSUm objetivo central da biologia sintética é programar células para desenvolver funções valiosas. À medida que se constroem sistemas genéticas maiores e mais complexos (como os de escala genômica), serão necessários modelos e técnicas para combinar as partes genéticas de maneira eficiente para se atingir um comportamento específico. Para isso, serão necessários modelos biofísicos que descrevam a relação de uma sequência de DNA que a sua função. Um passo muito importante nesse sentido foi dado pelo Grupo do Prof. Howard Salis, pesquisador que eu tenho o prazer de trabalhar dentro do Synberc, com o desenvolvimento da calculadora de RBS (ribossomal binding site ou sítio de ligação com o ribossomo). Engenharia genética de microrganismos é um processo tempo intensivo (por ex. o desenvolvimento de uma nova rota metabólica para a produção de um produto químico pode levar de 5 a 10 anos de P&D para chegar a etapa industrial) que normalmente requer múltiplas rodadas de tentativas e erro utilizando mutações aleatórias. À medida que se torna possível construir sistemas gênicos cada vez mais complexo (incluindo genomas completos), métodos automatizados para montagem desses sistemas e para otimização de vias metabólicas se tornam necessários para diminuir custos e tempo de desenvolvimento. Além disso, com o aumento da complexidade do sistema, a aplicação de métodos de tentativa e erro para sua otimização se torna cada mais difícil e ineficaz. Uma maneira de otimizar um sistema gênico é através da variação da sequencia de seus elementos regulatórios para controlar os níveis de expressão de suas proteínas codificadoras. Cada passo limitante na expressão de um gene oferece a oportunidade para modular racionalmente os níveis de expressão proteica. Em bactérias, sítios de ligação do ribossomo e outras sequencias regulatórias de RNA são elementos de controle eficientes para o início da tradução. Como consequência, essas sequências são comumente modificadas para a otimização de circuitos genéticos. Vias metabólicas e expressão de proteínas recombinantes. Assita um video bem interessante no Youtube sobre tradução. Não é mostrado no video (e não consegui encontrar um melhor) o RBS é uma sequencia do RNA que direciona o ribossomo para o start codon, ele complementar a região do rRNA 16S que é parte da subunidade pequena 30S do ribossomo. Basicamente, quando mais complementar o RBS é ao 16S rRNA, maior é a afinidade e maior é a taxa de tradução. Como foi descrito no video, a tradução em bactérias (procariotos) consiste em quatro fases: iniciação, elongamento, terminação e o turnover do ribossomo (na verdade, esta última fase não foi mostrada no video). Na maioria dos casos, o início da transcrição é o gargalo do processo inteiro. O taxa de iniciação de transcrição se dá pela combinação de diferentes efeitos moleculares: incluindo a hibridação do rRNA 16S com a sequencia do RBS, a ligação do tRNA formilmetionina ao start codon, a distância entre o síto de ligação do rRNA 16S e o start códon, e a presença de estruturas secundárias de RNA que podem obstruir o RBS ou o start codon. Para o otimização de expressão de genes, é muito comum o desenvolvimento de bibliotecas de sequencias de RBS com o objetivo de otimização de funções de sistemas gênicos. Porém, a construção e seleção de bibliotecas de sequências se torna impraticável com o aumento de proteínas no sistema. Por exemplo, para realizar mutações randômicas em 4 nucleotídeos para um RBS resulta em uma biblioteca de 256 sequencias. O tamanho da biblioteca aumenta combinatoriamente com o número de proteínas do sistema, ou seja, 16,7 milhões de sequências para um sistema com 3 proteínas e 2,8 x 1014 sequencias para um sistemas com 6 proteínas). Dessa maneira, se torna necessários processos mais racionais para avaliar sequencias de RBS. A calculadora de RBS utiliza um modelo estatístico termodinâmico para predizer a taxa de iniciação de tradução de uma proteína. Dado um RBS e a região codificadora da proteína, o modelo é capaz de calcular a mudança de energia livre durante a montagem do complexo ribossomal 30S no RNAm (ΔGTOT). Depois, o modelo estatístico é capaz de correlacionar a taxa de início de transcrição com o ΔGTOT. Dessa maneira, o modelo biofísico preenche uma lacuna de desenho racional de RBS, criando uma relação quantitativa entre um sequencia de letras (As, Gs, Cs e Us) e um número (taxa de iniciação de tradução). A calculadora de RBS, portanto, combina um modelo biofísico com otimização estocástica para identificar uma sequência sintética (não natural) de RBS que irá proporcionar a taxa de início de tradução desejada. É importante destacar que esta relação também depende dos 35 nucleotídeos iniciais da região codificadora da proteína e que o RBS sintético precisa ser desenhada com esta sequencia incluída. A calculadora de RBS está disponível do site do laboratório do Salis . E é muito simples de utilizar, basta criar uma conta de usuário, recortar e colar as sequências, e definir uma ou mais taxas de iniciação de transcrição. RBS calculator

Outras ferramentas para controle de transcrição também estão disponíveis como a Small RNA Calculator.

Bons experimentos!

Salis, H., Mirsky, E., & Voigt, C. (2009). Automated design of synthetic ribosome binding sites to control protein expression Nature Biotechnology, 27 (10), 946-950 DOI: 10.1038/nbt.1568

Microalgas na Biologia Sintética

ResearchBlogging.orgNa penúltima reunião do Clube de Biologia Sintética foi discutido em que pé andam as pesquisas envolvendo microalgas – uma das milagrosas fontes energia sustentável e fixação de CO2 – no contexto da Biologia Sintética. O apresentador da vez, João Molino, com base nos conhecimentos que vem adquirindo no seu doutorado na Farmácia (FCF) aqui na USP, nos deu um review dos trabalhos com microalgas usadas em Biologia Sintética, além de falar um pouco de como as microalgas são incríveis para converter energia solar em bioprodutos e – consequentemente – fixar CO2. Com isso ele sugere no final algumas oportunidades que poderíamos usar para projetos do iGEM do ano que vem.

Vídeo com “Pipotecnica”

Como tivemos problemas envolvendo a transmissão da reunião (que já era feita de maneira precária), resolvemos gravar novamente a apresentação, só que desta vez utilizando uma nova pirotecnia dos vídeos da internet, o Popcornmaker (veja mais sobre ele nessa palestra de 4min no TED). Junto ao vídeo irão aparecer muitos links e informações extras diretamente da wikipédia em inglês (nunca substimem a wikipédia em inglês!), portanto se quiser saber mais sobre alguma informação “ao vivo” durante o vídeo, cheque os links! [clique na imagem abaixo para ir ao vídeo em outra aba]

Anotações Pessoais

Apesar do custo/benefício das pesquisas de microalgas na indústria não ser muito bom – segundo o que o Mateus me contou outro dia – suas características são muito provocativas para serem usadas como solução ecológica para muitos problemas e melhorar bastante processos de produção de bioprodutos já existentes. Ela faz coisas simplesmente incríveis. Como o João mostra no vídeo, ela é campeã na produção de galões/acre de óleo, além de poder viver em ambientes completamente isolados, como em uma garrafa fechada por exemplo – diga aí, qual ser vivo que você encontra no seu dia a dia (sem contar microalgas né…) que consegue viver muito bem e por muito tempo num ambiente completamente fechado e sem ar! Ela também fixa CO2 que é uma beleza, produz hidrogênio (hidrogênio cara!) e ainda pode ser usada como biorremediador (e de fato é naturalmente) para limpar áreas contaminadas!

Além de ser muito interessante biotecnologicamente, as microalgas são um grande gargalo na biologia sintética devido à falta de BioBricks e de elementos de DNA padronizados, como suas sequências terminadoras. O que é bem legal para o Registry of Parts e para o iGEM: partes inéditas! O time do chile do iGEM deste ano foi um dos primeiros a conseguir transformar cianobactérias (“parentes” das microalgas) com sucesso utilizando BioBricks na competição, o que é um bom indício para se trabalhar com microalgas.

O Grande Desafio

Apesar disso tudo, trabalhar com microalgas é algo bem desafiador, muito por causa do item mais valioso que se tem em laboratório: tempo. Um processo inserção de vetor nas células que duraria apenas (no máximo!) 2 dias de trabalhando com E.coli, com nossas amigas verdinhas duraria cerca de uma a duas semanas (se não me engano, segundo o que o João me contou). Para se fazer um projeto desse tipo estaríamos um pouco limitados para o pouco tempo do iGEM, a não ser que nos organizássemos muito bem (ainda estamos trabalhando nesse quesito). Mas o interessante é que aparentemente elas são bem geneticamente estáveis quando se tratando do vetor inserido; pelo o que o João nos contou, algumas microalgas transformadas duram anos com o seu novo pedaço de DNA. O processo de transformação também é aparentemente tranquilo e sem muito mistério.

Seguindo com os nossos objetivos de criar um projeto para o iGEM, muitas ideias surgiram da potencialidade de trabalhar com microalgas. Particularmente, comecei a pensar num sistema em que as microalgas “alimentassem” uns extremófilos, para que eles produzissem um efeito desejado com suas habilidades únicas da natureza – habilidades extremas! Mas discorro sobre isso em futuros posts.

Referência Principal

Durante o vídeo, muitas referências interessantes apareceram com ajuda  do Popcornmaker, mas a referência principal que guiou o overview que o João nos fez é essa aí embaixo:

  • Wang B, Wang J, Zhang W, & Meldrum DR (2012). Application of synthetic biology in cyanobacteria and algae. Frontiers in microbiology, 3 PMID: 23049529

O que é Biologia Sintética?

Este post deveria ser um dos primeiros artigos para um site que se diz especializado em biologia sintética. Mas confesso para vocês que definir o que é biologia sintética, para mim, não foi (é) uma tarefa fácil. Como podem ser vistos nos posts no blog, existem vários aspectos da synbio que permitem diferentes definições de acordo com o ponto de vista de quem está fazendo biologia sintética. Por exemplo, um engenheiro interessado em criar dispositivos computacionais sintéticos em uma bactéria, ou um biotecnólogo interessado em produzir biocombustíveis ou um biólogo querendo montar uma bactéria a partir de simples elementos químicos. Claramente, todas estas áreas estão conectadas, mas criar uma definição que consiga embarcar todas as possibilidades não é trivial. Por isso, digo que este post é orgânico, que deve mudar à medida que o meu conhecimento sobre o assunto se aprofunda.

Uma característica que une todos os biológos sintéticos é a vontade de tornar o processo de engenharia de sistemas biológicos mais fácil e confiável. Dentro desse contexto, existem quatro diferentes níveis de atuação da biologia sintética:

(i) partes biológicas: sendo o DNA a linguagem de programação, as partes biológicas são uma sequência de dados (AGCTA…) que possuem funções determinadas. Por exemplo, uma sequência de DNA que faz a célula mudar a cor de verde para amarelo. Estas partes são descritas, catalogadas e respeitam determinado padrão físico de montagem (leia mais sobre os biobricks). Espera-se que com o tempo se possam descrever as características de inúmeras partes biológicas para serem utilizadas para a construção de dispositivos, sistemas,…. Essa é uma das funções da Secretária de Partes Biológicas Padrão do MIT.

(ii) dispositivos sintéticos: são compostos por partes biológicas capazes de processar sinais. Processam inputs em outputs. Para a construção de dispositivos robustos e eficientes são necessárias partes que funcionem de uma maneira previsível. Veja mais sobre dispositivos sintéticos.

(iii) sistemas sintéticos: são um conjunto dispositivos capazes de captar sinais, processar informações e realizar funções determinadas, como por exemplo, uma célula capaz de captar algum sinal do ambiente e decidir se irá realizar uma determinada função como combater uma célula tumoral, produzir determinado metabólito etc.

(iv) por útimo, existe a arquitetura sintética de populações em que, por ex, cada microrganismo possui um dispositivo diferente, sendo necessário que estes dispositivos trabalhem em conjunto para realizar determinada função. Trabalhar em conjunto, como uma população que precisa trabalhar com sincronismo, é o caso dos osciladores. Para isso, é necessário dominar mecanismos robustos de comunicação célula-célula.

A biologia sintética pode ser aplicada em praticamente todas áreas da biologia molecular, biotecnologia e engenharia genética. Porém existem algumas áreas que se destacam como sendo próprias da biologia sintética:

1. Construção de uma célula mínima: identificação das partes básicas para construção de uma célula.

2.  Reconstrução de células: tendo como objetivo central a construção de formas de vida artificiais a partir de elementos químicos.

3. Construção de novos códigos genéticos.

5. Construção de células capazes de realizar funções diferentes daquelas encontradas na natureza, como a obtenção de novas rotas bioquímicas de produção de novos compostos. .

Essa última, talvez seja a que mais tenha impacto nas nossas vidas cotidianas a curto-prazo, através do desenvolvimento de remédios mais baratos e com a produção de combustíveis e químicos utilizando recursos renováveis.

Clube de Biologia Sintética da Universidade de São Paulo!

Agora é oficial! Foi aprovado pelo conselho do Departamento de Microbiologia da Universidade de São Paulo o nosso Clube Científico de Biologia Sintética. A partir de agora, poderemos divulgar, reservar uma sala para as reuniões e receber nossos colegas da Poli e outros Institutos para discutirmos synbio!

SynbioBrasil Science Club: Participe!

Dispositivos sintéticos: interruptores de expressão gênica

Só agora tive tempo para fazer um post sobre a nossa segunda reunião do Clube Científico de Biologia Sintética da USP que, com certeza, vai render alguns posts.  Conversamos sobre uma das primeiras construções genéticas de biologia sintética visando a robustez no controle de expressão: a construção de um interruptor genético (toggle switch, flip flop,..). Robusto porque é capaz de funcionar corretamente a partir do modelo apesar de várias incertezas do sistema.

Mas para entender o dispositivo, vou comentar alguns conceitos básicos de biologia molecular: (i) promotores são regiões do DNA que antecedem os genes e são reconhecidas pela RNA polimerase e um fator sigma associado para facilitar a transcrição do gene, (ii) transcrição é processo de criação de um RNA complementar a sequência de DNA que posteriormente pode ser traduzido por um ribossomo a uma proteína, finalmente, (iii) um repressor é uma proteína de ligação de DNA que regula a expressão de genes, através da ligação a um operador, e bloqueia a ligação da RNA polimerase no promotor, impedindo a transcrição de genes.

Utilizando esses conceitos básicos de biologia molecular, Gardner e colaboradores (2000) construíram um interruptor para regular a transcrição de genes em E. coli. Chama-se um interruptor porque possuiu dois pontos de equilíbrio (acesso ou apagado, direita ou esquerda, expressão de X ou expressão de Y). Vou dar o exemplo de apenas uma das construções, 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 substância 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 equilíbrio: (i) com a presença de aTC, o repressor 2 é transcrito e ocorre a repressão do promotor 2, não havendo assim a transcrição do gene repórter (no caso uma proteína luminescente GFP); (ii) e na presença de IPTG em que ocorre a transcrição do promotor 2, e conseqüente transcrição 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 é a concentração do repressor 1, v é a concentração do repressor 2, α1 é a taxa efetiva de transcrição do repressor 1, α2 é a taxa efetiva de transcrição do repressor 2, β é taxa de cooperatividade da repressão do promotor 2 e γ é taxa cooperatividade de repressão do promotor 1. A ação deste modelo corresponde a seguinte estrutura gráfica:

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).

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