Biologia sintética - Synthetic biology

Pesquisa de Biologia Sintética no Centro de Pesquisa Ames da NASA .

A biologia sintética ( SynBio ) é uma área de pesquisa multidisciplinar que busca criar novas partes, dispositivos e sistemas biológicos, ou redesenhar sistemas já encontrados na natureza.

É um ramo da ciência que abrange uma ampla variedade de metodologias de várias disciplinas, tais como a biotecnologia , engenharia genética , biologia molecular , engenharia molecular , biologia sistemas , ciência membrana , biofísica , engenharia química e biológica , engenharia eléctrica e computador , engenharia de controle e biologia evolutiva .

Devido aos recursos de engenharia genética mais poderosos e à redução dos custos de síntese e sequenciamento de DNA , o campo da biologia sintética está crescendo rapidamente. Em 2016, mais de 350 empresas em 40 países estavam ativamente envolvidas em aplicações de biologia sintética; todas essas empresas tinham um patrimônio líquido estimado em US $ 3,9 bilhões no mercado global.

Definição

A biologia sintética atualmente não tem uma definição geralmente aceita. Aqui estão alguns exemplos:

"o uso de uma mistura de engenharia física e engenharia genética para criar novas (e, portanto, sintéticas) formas de vida"
"um campo emergente de pesquisa que visa combinar o conhecimento e métodos de biologia, engenharia e disciplinas relacionadas no projeto de DNA sintetizado quimicamente para criar organismos com características e traços novos ou aprimorados"
"projetar e construir módulos biológicos , sistemas biológicos e máquinas biológicas ou, redesenhar os sistemas biológicos existentes para fins úteis"
“Aplicar o paradigma de engenharia de projeto de sistemas a sistemas biológicos para produzir sistemas previsíveis e robustos com novas funcionalidades que não existem na natureza” (The European Commission, 2005). Isso pode incluir a possibilidade de um montador molecular , baseado em sistemas biomoleculares como o ribossomo

A biologia sintética tem sido tradicionalmente dividida em duas abordagens diferentes: de cima para baixo e de baixo para cima.

A abordagem de cima para baixo envolve o uso de técnicas de engenharia metabólica e genética para conferir novas funções às células vivas.
A abordagem ascendente envolve a criação de novos sistemas biológicos in vitro , reunindo componentes biomoleculares "não vivos", muitas vezes com o objetivo de construir uma célula artificial .

Os sistemas biológicos são, portanto, montados módulo a módulo. Sistemas de expressão de proteínas livres de células são freqüentemente empregados, assim como maquinaria molecular baseada em membrana. Há esforços crescentes para reduzir a divisão entre essas abordagens, formando células vivas / sintéticas híbridas, e projetando a comunicação entre as populações de células vivas e sintéticas.

História

1910: Primeiro uso identificável do termo "biologia sintética" na publicação de Stéphane Leduc , Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées . Ele também observou esse termo em outra publicação, La Biologie Synthétique, em 1912.

1961: Jacob e Monod postularam a regulação celular por redes moleculares a partir de seu estudo do operon lac em E. coli e imaginaram a capacidade de montar novos sistemas a partir de componentes moleculares.

1973: A primeira clonagem molecular e amplificação de DNA em um plasmídeo é publicada em PNAS por Cohen, Boyer et al. constituindo o alvorecer da biologia sintética.

1978: Arber , Nathans e Smith ganham o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina pela descoberta de enzimas de restrição , levando Szybalski a oferecer um comentário editorial na revista Gene :

O trabalho sobre nucleases de restrição não apenas nos permite construir facilmente moléculas de DNA recombinante e analisar genes individuais, mas também nos conduz à nova era da biologia sintética, onde não apenas os genes existentes são descritos e analisados, mas também novos arranjos gênicos podem ser construídos. e avaliados.

1988: A primeira amplificação de DNA pela reação em cadeia da polimerase (PCR) usando uma DNA polimerase termoestável é publicada na Science por Mullis et al. Isso evitou a adição de nova DNA polimerase após cada ciclo de PCR, simplificando muito a mutagênese e a montagem do DNA.

2000: Dois artigos na Nature relatam circuitos biológicos sintéticos , uma chave seletora genética e um relógio biológico, combinando genes dentro de células de E. coli .

2003: As partes padronizadas de DNA mais amplamente utilizadas, os plasmídeos BioBrick , são inventados por Tom Knight . Essas peças se tornarão centrais para a competição internacional de máquinas geneticamente modificadas (iGEM) fundada no MIT no ano seguinte.

Símbolos visuais padrão de Synthetic Biology Open Language (SBOL) para uso com o BioBricks Standard

2003: Pesquisadores projetam uma via do precursor da artemisinina em E. coli .

2004: Primeira conferência internacional de biologia sintética, Synthetic Biology 1.0 (SB1.0), realizada no Massachusetts Institute of Technology, EUA.

2005: Pesquisadores desenvolvem um circuito de detecção de luz em E. coli . Outro grupo projeta circuitos capazes de formação de padrões multicelulares.

2006: Pesquisadores projetam um circuito sintético que promove a invasão bacteriana de células tumorais.

2010: Pesquisadores publicam na Science o primeiro genoma bacteriano sintético, denominado M. mycoides JCVI-syn1.0. O genoma é feito de DNA sintetizado quimicamente usando recombinação de levedura.

2011: Braços cromossômicos sintéticos funcionais são desenvolvidos em levedura.

2012: Charpentier e Doudna labs publicam na Science a programação da imunidade bacteriana CRISPR-Cas9 para segmentação de clivagem de DNA. Esta tecnologia simplificou e expandiu bastante a edição de genes eucarióticos.

2019: Cientistas da ETH Zurich relatam a criação do primeiro genoma bacteriano , denominado Caulobacter ethensis-2.0 , feito inteiramente por um computador, embora uma forma viável relacionada de C. ethensis-2.0 ainda não exista.

2019: Pesquisadores relatam a produção de uma nova forma de vida viável sintética (possivelmente artificial ) , uma variante da bactéria Escherichia coli , reduzindo o número natural de 64 códons no genoma bacteriano para 59 códons, a fim de codificar 20 aminoácidos ácidos .

Perspectivas

Os engenheiros veem a biologia como uma tecnologia (em outras palavras, um determinado sistema inclui biotecnologia ou sua engenharia biológica ) A biologia sintética inclui a ampla redefinição e expansão da biotecnologia, com os objetivos finais de ser capaz de projetar e construir sistemas biológicos vivos projetados que processam informações , manipular produtos químicos, fabricar materiais e estruturas, produzir energia, fornecer alimentos e manter e melhorar a saúde humana, bem como avançar o conhecimento fundamental dos sistemas biológicos (consulte Engenharia Biomédica ) e do nosso meio ambiente.

Os estudos em biologia sintética podem ser subdivididos em classificações amplas, de acordo com a abordagem que adotam do problema em questão: padronização das partes biológicas, engenharia biomolecular, engenharia do genoma, engenharia metabólica.

A engenharia biomolecular inclui abordagens que visam criar um kit de ferramentas de unidades funcionais que podem ser introduzidas para apresentar novas funções tecnológicas em células vivas. A engenharia genética inclui abordagens para construir cromossomos sintéticos ou organismos mínimos como o Mycoplasma laboratorium .

Design biomolecular refere-se à ideia geral de design de novo e combinação aditiva de componentes biomoleculares. Cada uma dessas abordagens compartilha uma tarefa semelhante: desenvolver uma entidade mais sintética em um nível mais alto de complexidade, manipulando inventivamente uma parte mais simples no nível anterior.

Por outro lado, os "reescritores" são biólogos sintéticos interessados em testar a irredutibilidade dos sistemas biológicos. Devido à complexidade dos sistemas biológicos naturais, seria mais simples reconstruir os sistemas naturais de interesse do zero; A fim de fornecer substitutos projetados que sejam mais fáceis de compreender, controlar e manipular. Os reescritores se inspiram na refatoração , um processo às vezes usado para melhorar o software de computador.

Habilitando tecnologias

Várias novas tecnologias facilitadoras foram críticas para o sucesso da biologia sintética. Os conceitos incluem padronização de partes biológicas e abstração hierárquica para permitir o uso dessas partes em sistemas sintéticos. As tecnologias básicas incluem leitura e gravação de DNA (sequenciamento e fabricação). As medições sob várias condições são necessárias para uma modelagem precisa e projeto auxiliado por computador (CAD).

DNA e síntese de genes

Impulsionado por reduções dramáticas nos custos de síntese de oligonucleotídeos ("oligos") e o advento da PCR, os tamanhos das construções de DNA de oligos aumentaram para o nível genômico. Em 2000, os pesquisadores relataram a síntese do genoma do vírus da hepatite C de 9,6 kbp (quilo bp) de 60 a 80 mers sintetizados quimicamente. Em 2002, pesquisadores da Stony Brook University conseguiram sintetizar o genoma do poliovírus 7741 bp a partir de sua sequência publicada, produzindo o segundo genoma sintético, abrangendo dois anos. Em 2003, o genoma de 5386 bp do bacteriófago Phi X 174 foi montado em cerca de duas semanas. Em 2006, a mesma equipe, no J. Craig Venter Institute , construiu e patenteou um genoma sintético de uma nova bactéria mínima, o Mycoplasma laboratorium, e estava trabalhando para fazê-lo funcionar em uma célula viva.

Em 2007, foi relatado que várias empresas estavam oferecendo a síntese de sequências genéticas de até 2.000 pares de base (bp), por um preço de cerca de US $ 1 por bp e um tempo de resposta de menos de duas semanas. Os oligonucleotídeos colhidos de um chip de DNA fotolitográfico ou fabricado a jato de tinta combinado com PCR e correção de erro de incompatibilidade de DNA permitem mudanças baratas em grande escala de códons em sistemas genéticos para melhorar a expressão gênica ou incorporar novos aminoácidos (ver George M. Church 's e os projetos de células sintéticas de Anthony Forster.) Isso favorece uma abordagem de síntese a partir do zero.

Além disso, o sistema CRISPR / Cas surgiu como uma técnica promissora para edição de genes. Foi descrito como "a inovação mais importante no espaço da biologia sintética em quase 30 anos". Enquanto outros métodos levam meses ou anos para editar as sequências de genes, o CRISPR acelera esse tempo até semanas. Devido à sua facilidade de uso e acessibilidade, no entanto, ele levantou questões éticas, especialmente em relação ao seu uso em biohacking .

Sequenciamento

O sequenciamento de DNA determina a ordem das bases de nucleotídeos em uma molécula de DNA. Os biólogos sintéticos usam o sequenciamento de DNA em seu trabalho de várias maneiras. Primeiro, os esforços de sequenciamento do genoma em grande escala continuam a fornecer informações sobre organismos que ocorrem naturalmente. Essas informações fornecem um substrato rico a partir do qual os biólogos sintéticos podem construir peças e dispositivos. Em segundo lugar, o sequenciamento pode verificar se o sistema fabricado está conforme o pretendido. Terceiro, o sequenciamento rápido, barato e confiável pode facilitar a rápida detecção e identificação de sistemas e organismos sintéticos.

Microfluídica

A microfluídica , em particular a microfluídica de gotículas, é uma ferramenta emergente usada para construir novos componentes e para analisá-los e caracterizá-los. É amplamente utilizado em ensaios de triagem.

Modularidade

As partes padronizadas de DNA mais usadas são os plasmídeos BioBrick , inventados por Tom Knight em 2003. Os biobricks são armazenados no Registry of Standard Biological Parts em Cambridge, Massachusetts. O padrão BioBrick foi usado por milhares de estudantes em todo o mundo na competição internacional de máquinas geneticamente modificadas (iGEM).

Embora o DNA seja mais importante para o armazenamento de informações, uma grande fração das atividades da célula é realizada por proteínas. As ferramentas podem enviar proteínas a regiões específicas da célula e ligar diferentes proteínas. A força de interação entre os parceiros de proteína deve ser ajustável entre uma vida de segundos (desejável para eventos de sinalização dinâmica) até uma interação irreversível (desejável para estabilidade do dispositivo ou resiliente a condições adversas). Interações como bobinas enroladas , ligação de peptídeo de domínio SH3 ou SpyTag / SpyCatcher oferecem esse controle. Além disso, é necessário regular as interações proteína-proteína nas células, como com a luz (usando domínios de detecção de voltagem de oxigênio-luz ) ou pequenas moléculas permeáveis às células por dimerização induzida quimicamente .

Em uma célula viva, os motivos moleculares estão inseridos em uma rede maior com componentes a montante e a jusante. Esses componentes podem alterar a capacidade de sinalização do módulo de modelagem. No caso de módulos ultrassensíveis, a contribuição de sensibilidade de um módulo pode ser diferente da sensibilidade que o módulo mantém isoladamente.

Modelagem

Os modelos informam o projeto de sistemas biológicos projetados ao prever melhor o comportamento do sistema antes da fabricação. A biologia sintética se beneficia de melhores modelos de como as moléculas biológicas ligam substratos e catalisam reações, como o DNA codifica as informações necessárias para especificar a célula e como os sistemas integrados de múltiplos componentes se comportam. Modelos multiescala de redes reguladoras de genes focam em aplicações de biologia sintética. As simulações podem modelar todas as interações biomoleculares na transcrição , tradução , regulação e indução de redes regulatórias de genes.

Fatores de transcrição sintética

Os estudos consideraram os componentes do mecanismo de transcrição do DNA . Um desejo dos cientistas que criam circuitos biológicos sintéticos é ser capaz de controlar a transcrição do DNA sintético em organismos unicelulares ( procariotos ) e em organismos multicelulares ( eucariotos ). Um estudo testou a capacidade de ajuste de fatores de transcrição sintéticos (sTFs) em áreas de produção de transcrição e capacidade cooperativa entre múltiplos complexos de fatores de transcrição. Os pesquisadores foram capazes de transformar regiões funcionais chamadas dedos de zinco , o componente específico do DNA dos sTFs, para diminuir sua afinidade por sítios de sequência de DNA de operador específico e, assim, diminuir a atividade específica do sítio associada do sTF (geralmente regulação da transcrição). Eles ainda usaram os dedos de zinco como componentes de sTFs formadores de complexos, que são os mecanismos de tradução eucarióticos .

Formulários

Computadores biológicos

Um computador biológico se refere a um sistema biológico projetado que pode realizar operações semelhantes às de um computador, que é um paradigma dominante na biologia sintética. Os pesquisadores construíram e caracterizaram uma variedade de portas lógicas em vários organismos e demonstraram computação analógica e digital em células vivas. Eles demonstraram que as bactérias podem ser projetadas para realizar computação analógica e / ou digital. Em células humanas, a pesquisa demonstrou um avaliador lógico universal que opera em células de mamíferos em 2007. Posteriormente, os pesquisadores utilizaram esse paradigma para demonstrar uma terapia de prova de conceito que usa computação digital biológica para detectar e matar células cancerosas humanas em 2011. Outro grupo de pesquisadores demonstraram em 2016 que os princípios da engenharia da computação podem ser usados para automatizar o projeto de circuitos digitais em células bacterianas. Em 2017, pesquisadores demonstraram o sistema de 'lógica booleana e aritmética por meio de excisão de DNA' (BLADE) para criar computação digital em células humanas. Em 2019, pesquisadores implementaram um perceptron em sistemas biológicos, abrindo caminho para o aprendizado de máquina nesses sistemas.

Biossensores

Um biossensor se refere a um organismo modificado, geralmente uma bactéria, que é capaz de relatar algum fenômeno ambiental, como a presença de metais pesados ou toxinas. Um desses sistemas é o operon Lux de Aliivibrio fischeri , que codifica a enzima que é a fonte da bioluminescência bacteriana e pode ser colocado após um promotor respondente para expressar os genes de luminescência em resposta a um estímulo ambiental específico. Um desses sensores criado consistia em um revestimento bacteriano bioluminescente em um chip de computador fotossensível para detectar certos poluentes do petróleo . Quando as bactérias detectam o poluente, elas tornam-se luminescentes. Outro exemplo de mecanismo semelhante é a detecção de minas terrestres por uma cepa repórter de E.coli projetada capaz de detectar TNT e seu principal produto de degradação DNT e, conseqüentemente, produzir uma proteína fluorescente verde ( GFP ).

Organismos modificados podem detectar sinais ambientais e enviar sinais de saída que podem ser detectados e servir a propósitos de diagnóstico. Foram utilizadas coortes de micróbios.

Transformação celular

As células usam genes e proteínas em interação, chamados de circuitos genéticos, para implementar funções diversas, como resposta a sinais ambientais, tomada de decisão e comunicação. Três componentes principais estão envolvidos: DNA, RNA e circuitos genéticos projetados por biólogos sintéticos que podem controlar a expressão gênica em vários níveis, incluindo os níveis transcricional, pós-transcricional e translacional.

A engenharia metabólica tradicional foi reforçada pela introdução de combinações de genes estranhos e otimização por evolução direcionada. Isso inclui a engenharia de E. coli e levedura para a produção comercial de um precursor do medicamento antimalárico , Artemisinina .

Organismos inteiros ainda precisam ser criados do zero, embora as células vivas possam ser transformadas com novo DNA. Várias maneiras permitem a construção de componentes de DNA sintético e até mesmo genomas sintéticos inteiros , mas uma vez que o código genético desejado é obtido, ele é integrado em uma célula viva que deve manifestar as novas capacidades ou fenótipos desejados enquanto cresce e se desenvolve. A transformação celular é usada para criar circuitos biológicos , que podem ser manipulados para produzir os resultados desejados.

Ao integrar a biologia sintética com a ciência dos materiais , seria possível usar células como fundições moleculares microscópicas para produzir materiais com propriedades cujas propriedades fossem geneticamente codificadas. A reengenharia produziu fibras Curli, o componente amilóide do material extracelular de biofilmes , como uma plataforma para nanomateriais programáveis . Essas nanofibras foram geneticamente construídas para funções específicas, incluindo adesão a substratos, modelagem de nanopartículas e imobilização de proteínas.

Proteínas projetadas

A proteína Top7 foi uma das primeiras proteínas projetadas para uma dobra nunca antes vista na natureza

As proteínas naturais podem ser projetadas, por exemplo, por evolução direcionada , novas estruturas de proteínas que correspondem ou melhoram a funcionalidade das proteínas existentes podem ser produzidas. Um grupo gerou um feixe de hélice que era capaz de se ligar ao oxigênio com propriedades semelhantes às da hemoglobina , mas não ligava o monóxido de carbono . Uma estrutura de proteína semelhante foi gerada para suportar uma variedade de atividades de oxidorredutase , enquanto outra formou uma nova ATPase estrutural e sequencialmente . Outro grupo gerou uma família de receptores acoplados à proteína G que poderiam ser ativados pela pequena molécula inerte clozapina N-óxido, mas insensíveis ao ligante nativo , acetilcolina ; esses receptores são conhecidos como DREADDs . Novas funcionalidades ou especificidade de proteína também podem ser projetadas usando abordagens computacionais. Um estudo foi capaz de usar dois métodos computacionais diferentes - um método de bioinformática e modelagem molecular para bancos de dados de sequências de mineração e um método de projeto de enzima computacional para reprogramar a especificidade da enzima. Ambos os métodos resultaram em enzimas projetadas com especificidade superior a 100 vezes para a produção de álcoois de cadeia mais longa a partir do açúcar.

Outra investigação comum é a expansão do conjunto natural de 20 aminoácidos . Excluindo os códons de parada , 61 códons foram identificados, mas apenas 20 aminoácidos são geralmente codificados em todos os organismos. Certos códons são projetados para codificar aminoácidos alternativos, incluindo: aminoácidos não padrão, como O-metil tirosina ; ou aminoácidos exógenos, tais como 4-fluorofenilalanina. Normalmente, esses projetos fazem uso de pares de tRNA supressor nonsense recodificados - Aminoacil tRNA sintetase de outros organismos, embora na maioria dos casos seja necessária uma engenharia substancial.

Outros pesquisadores investigaram a estrutura e função das proteínas reduzindo o conjunto normal de 20 aminoácidos. Bibliotecas de sequências de proteínas limitadas são feitas gerando proteínas onde grupos de aminoácidos podem ser substituídos por um único aminoácido. Por exemplo, vários aminoácidos não polares dentro de uma proteína podem ser substituídos por um único aminoácido não polar. Um projeto demonstrou que uma versão modificada da Chorismate mutase ainda tinha atividade catalítica quando apenas 9 aminoácidos foram usados.

Pesquisadores e empresas praticam a biologia sintética para sintetizar enzimas industriais com alta atividade, rendimentos ideais e eficácia. Essas enzimas sintetizadas visam melhorar produtos como detergentes e laticínios sem lactose, além de torná-los mais econômicos. O aprimoramento da engenharia metabólica pela biologia sintética é um exemplo de técnica biotecnológica utilizada na indústria para descobrir produtos farmacêuticos e fermentadores. A biologia sintética pode investigar sistemas de vias modulares na produção bioquímica e aumentar os rendimentos da produção metabólica. A atividade enzimática artificial e os efeitos subsequentes nas taxas de reação metabólica e rendimentos podem desenvolver "novas estratégias eficientes para melhorar as propriedades celulares ... para a produção bioquímica industrialmente importante".

Sistemas de ácido nucléico projetados

Os cientistas podem codificar informações digitais em uma única fita de DNA sintético . Em 2012, George M. Church codificou um de seus livros sobre biologia sintética no DNA. Os 5,3 Mb de dados eram mais de 1000 vezes maiores do que a maior quantidade de informação anterior a ser armazenada no DNA sintetizado. Um projeto semelhante codificou os sonetos completos de William Shakespeare em DNA. De modo mais geral, algoritmos como NUPACK, ViennaRNA, Ribosome Binding Site Calculator, Cello e Non-Repetitive Parts Calculator permitem o projeto de novos sistemas genéticos.

Muitas tecnologias foram desenvolvidas para incorporar nucleotídeos e aminoácidos não naturais em ácidos nucléicos e proteínas, tanto in vitro quanto in vivo . Por exemplo, em maio de 2014, os pesquisadores anunciaram que haviam introduzido com sucesso dois novos nucleotídeos artificiais no DNA bacteriano. Ao incluir nucleotídeos artificiais individuais nos meios de cultura, eles foram capazes de trocar as bactérias 24 vezes; eles não geraram mRNA ou proteínas capazes de usar os nucleotídeos artificiais.

Exploração espacial

A biologia sintética despertou o interesse da NASA, pois poderia ajudar a produzir recursos para astronautas a partir de um portfólio restrito de compostos enviados da Terra. Em Marte, em particular, a biologia sintética pode levar a processos de produção baseados em recursos locais, tornando-se uma ferramenta poderosa no desenvolvimento de postos avançados tripulados com menos dependência da Terra. Trabalhou-se no desenvolvimento de cepas de plantas que são capazes de lidar com o ambiente hostil de Marte, usando técnicas semelhantes às empregadas para aumentar a resiliência a certos fatores ambientais em safras agrícolas.

Vida sintética

Funções do gene no genoma mínimo do organismo sintético, Syn 3 .

Um tópico importante na biologia sintética é a vida sintética , que se preocupa com organismos hipotéticos criados in vitro a partir de biomoléculas e / ou seus análogos químicos . Os experimentos de vida sintética tentam sondar as origens da vida , estudar algumas das propriedades da vida ou, de forma mais ambiciosa, recriar a vida a partir de componentes não vivos ( abióticos ). A biologia sintética da vida tenta criar organismos vivos capazes de desempenhar funções importantes, desde a fabricação de produtos farmacêuticos até a desintoxicação da terra e da água poluídas. Na medicina, oferece perspectivas de uso de peças biológicas projetadas como ponto de partida para novas classes de terapias e ferramentas de diagnóstico.

Uma "célula artificial" viva foi definida como uma célula completamente sintética que pode capturar energia , manter gradientes de íons , conter macromoléculas , bem como armazenar informações e ter a capacidade de sofrer mutações . Ninguém foi capaz de criar tal célula.

Um cromossomo bacteriano completamente sintético foi produzido em 2010 por Craig Venter , e sua equipe o apresentou a células hospedeiras bacterianas genomicamente esvaziadas. As células hospedeiras foram capazes de crescer e se replicar. O Mycoplasma laboratorium é o único organismo vivo com genoma completamente modificado.

O primeiro organismo vivo com código de DNA expandido 'artificial' foi apresentado em 2014; a equipe usou E. coli que teve seu genoma extraído e substituído por um cromossomo com um código genético expandido. Os nucleosídeos adicionados são d5SICS e dNaM .

Em maio de 2019, pesquisadores, em um esforço importante, relataram a criação de uma nova forma sintética (possivelmente artificial ) de vida viável , uma variante da bactéria Escherichia coli , reduzindo o número natural de 64 códons no genoma bacteriano para 59 códons em vez disso, a fim de codificar 20 aminoácidos .

Em 2017, a colaboração de pesquisa em larga escala Build-a-Cell internacional para a construção de células vivas sintéticas foi iniciada, seguida por organizações nacionais de células sintéticas em vários países, incluindo FabriCell, MaxSynBio e BaSyC. Os esforços europeus de células sintéticas foram unificados em 2019 como iniciativa SynCellEU.

Plataformas de entrega de drogas

Plataforma baseada em bactérias projetada

As bactérias são usadas há muito tempo no tratamento do câncer. Bifidobacterium e Clostridium colonizam tumores seletivamente e reduzem seu tamanho. Recentemente, biólogos sintéticos reprogramaram bactérias para sentir e responder a um determinado estado de câncer. Na maioria das vezes, as bactérias são usadas para entregar uma molécula terapêutica diretamente ao tumor para minimizar os efeitos fora do alvo. Para atingir as células tumorais, os peptídeos que podem reconhecer especificamente um tumor foram expressos nas superfícies das bactérias. Os peptídeos usados incluem uma molécula de affibody que tem como alvo específico o receptor 2 do fator de crescimento epidérmico humano e uma adesina sintética . A outra maneira é permitir que as bactérias detectem o microambiente tumoral , por exemplo, hipóxia, construindo uma porta lógica AND nas bactérias. As bactérias então liberam moléculas terapêuticas alvo para o tumor por meio de lise ou do sistema de secreção bacteriana . A lise tem a vantagem de estimular o sistema imunológico e controlar o crescimento. Vários tipos de sistemas de secreção podem ser usados e também outras estratégias. O sistema é indutível por sinais externos. Os indutores incluem produtos químicos, ondas eletromagnéticas ou de luz.

Múltiplas espécies e cepas são aplicadas nesta terapêutica. As bactérias mais comumente usadas são Salmonella typhimurium , Escherichia Coli , Bifidobacteria , Streptococcus , Lactobacillus , Listeria e Bacillus subtilis . Cada uma dessas espécies tem suas próprias propriedades e são exclusivas para a terapia do câncer em termos de colonização de tecidos, interação com o sistema imunológico e facilidade de aplicação.

Plataforma baseada em células

O sistema imunológico desempenha um papel importante no câncer e pode ser utilizado para atacar as células cancerosas. As terapias baseadas em células se concentram em imunoterapias , principalmente por células T de engenharia .

Receptores de células T foram projetados e 'treinados' para detectar epítopos de câncer . Os receptores de antígenos quiméricos (CARs) são compostos por um fragmento de um anticorpo fundido a domínios de sinalização de células T intracelulares que podem ativar e desencadear a proliferação da célula. Uma terapia baseada em CAR de segunda geração foi aprovada pelo FDA.

Os interruptores genéticos foram projetados para aumentar a segurança do tratamento. Os interruptores de interrupção foram desenvolvidos para encerrar a terapia, caso o paciente apresentasse efeitos colaterais graves. Os mecanismos podem controlar o sistema com mais precisão, pará-lo e reativá-lo. Uma vez que o número de células T é importante para a persistência e gravidade da terapia, o crescimento das células T também é controlado para determinar a eficácia e segurança da terapêutica.

Embora vários mecanismos possam melhorar a segurança e o controle, as limitações incluem a dificuldade de induzir grandes circuitos de DNA nas células e os riscos associados à introdução de componentes estranhos, especialmente proteínas, nas células.

Ética

A criação de uma nova vida e a adulteração da vida existente levantou questões éticas no campo da biologia sintética e estão sendo ativamente discutidas.

Questões éticas comuns incluem:

É moralmente correto mexer com a natureza?
Alguém está brincando de Deus ao criar uma nova vida?
O que acontece se um organismo sintético escapar acidentalmente?
E se um indivíduo fizer mau uso da biologia sintética e criar uma entidade prejudicial (por exemplo, uma arma biológica)?
Quem terá controle e acesso aos produtos da biologia sintética?
Quem vai ganhar com essas inovações? Investidores? Pacientes médicos? Fazendeiros industriais?
O sistema de patentes permite patentes de organismos vivos? E quanto a partes de organismos, como genes de resistência ao HIV em humanos?
E se uma nova criação merecer status moral ou legal?

Os aspectos éticos da biologia sintética têm 3 características principais: biossegurança, biossegurança e a criação de novas formas de vida. Outras questões éticas mencionadas incluem a regulamentação de novas criações, gerenciamento de patentes de novas criações, distribuição de benefícios e integridade da pesquisa.

Questões éticas surgiram para tecnologias de DNA recombinante e organismos geneticamente modificados (OGM) e extensas regulamentações de engenharia genética e pesquisa de patógenos estavam em vigor em muitas jurisdições. Amy Gutmann , ex-chefe da Comissão Presidencial de Bioética, argumentou que devemos evitar a tentação de regulamentar excessivamente a biologia sintética em geral, e a engenharia genética em particular. De acordo com Gutmann, "A parcimônia regulatória é especialmente importante em tecnologias emergentes ... onde a tentação de reprimir a inovação com base na incerteza e no medo do desconhecido é particularmente grande. Os instrumentos contundentes de restrição estatutária e regulatória podem não apenas inibir a distribuição de novos benefícios, mas pode ser contraproducente para a segurança e proteção, impedindo os pesquisadores de desenvolver salvaguardas eficazes. ".

A "criação" da vida

Uma questão ética é se é aceitável ou não criar novas formas de vida, às vezes conhecidas como "brincar de Deus". Atualmente, a criação de novas formas de vida não presentes na natureza ocorre em pequena escala, os benefícios e perigos potenciais permanecem desconhecidos e a consideração cuidadosa e supervisão são garantidas para a maioria dos estudos. Muitos defensores expressam o grande valor potencial - para a agricultura, medicina e conhecimento acadêmico, entre outros campos - da criação de formas de vida artificiais. A criação de novas entidades poderia expandir o conhecimento científico muito além do que é conhecido atualmente no estudo dos fenômenos naturais. Ainda assim, existe a preocupação de que as formas de vida artificiais possam reduzir a "pureza" da natureza (ou seja, a natureza poderia ser de alguma forma corrompida pela intervenção e manipulação humana) e potencialmente influenciar a adoção de princípios mais semelhantes à engenharia em vez de ideais focados na biodiversidade e na natureza. Alguns também estão preocupados com o fato de que, se uma forma de vida artificial fosse liberada na natureza, ela poderia prejudicar a biodiversidade, eliminando as espécies naturais em busca de recursos (semelhante a como a proliferação de algas mata as espécies marinhas). Outra preocupação envolve o tratamento ético de entidades recém-criadas se acontecerem de sentir dor , sensibilidade e autopercepção. Essa vida deve ter direitos morais ou legais? Se sim, como?

Biossegurança e biocontenção

O que é mais eticamente apropriado ao considerar medidas de biossegurança? Como evitar a introdução acidental de vida sintética no ambiente natural? Muita consideração ética e pensamento crítico foram dados a essas questões. A biossegurança não se refere apenas à contenção biológica; também se refere a passos dados para proteger o público de agentes biológicos potencialmente perigosos. Embora tais preocupações sejam importantes e permaneçam sem resposta, nem todos os produtos da biologia sintética apresentam preocupação com a segurança biológica ou consequências negativas para o meio ambiente. Argumenta-se que a maioria das tecnologias sintéticas são benignas e incapazes de florescer no mundo exterior devido às suas características "não naturais", pois ainda não existe um exemplo de um micróbio transgênico conferido com uma vantagem de aptidão na natureza.

Em geral, os controles de perigo existentes, as metodologias de avaliação de risco e os regulamentos desenvolvidos para os organismos geneticamente modificados (OGM) tradicionais são considerados suficientes para os organismos sintéticos. Os métodos de biocontenção "extrínsecos" em um contexto de laboratório incluem contenção física por meio de gabinetes de biossegurança e caixas de luvas , bem como equipamentos de proteção individual . Em um contexto agrícola, eles incluem distâncias de isolamento e barreiras de pólen , semelhantes aos métodos de biocontenção de OGM . Organismos sintéticos podem oferecer maior controle de risco porque podem ser projetados com métodos de biocontenção "intrínsecos" que limitam seu crescimento em um ambiente não contido ou evitam a transferência horizontal de genes para organismos naturais. Exemplos de biocontenção intrínseca incluem auxotrofia , interruptores biológicos de morte , incapacidade do organismo de se replicar ou de passar genes modificados ou sintéticos para a prole e o uso de organismos xenobiológicos usando bioquímica alternativa, por exemplo, usando ácidos nucleicos xeno artificiais (XNA) em vez de DNA . Com relação à auxotrofia, bactérias e leveduras podem ser modificadas para serem incapazes de produzir histidina , um aminoácido importante para toda a vida. Assim, tais organismos só podem ser cultivados em meios ricos em histidina em condições de laboratório, anulando o medo de que eles possam se espalhar para áreas indesejáveis.

Biossegurança

Algumas questões éticas estão relacionadas à biossegurança, onde tecnologias biossintéticas podem ser usadas deliberadamente para causar danos à sociedade e / ou ao meio ambiente. Visto que a biologia sintética levanta questões éticas e de biossegurança, a humanidade deve considerar e planejar como lidar com criações potencialmente prejudiciais e que tipos de medidas éticas poderiam ser empregadas para deter tecnologias biossintéticas nefastas. Com exceção da regulamentação das empresas de biologia sintética e biotecnologia, no entanto, as questões não são vistas como novas porque foram levantadas durante os debates anteriores sobre DNA recombinante e organismos geneticamente modificados (OGM) e extensas regulamentações de engenharia genética e pesquisa de patógenos já estão em vigor em muitas jurisdições.

União Européia

O projeto SYNBIOSAFE, financiado pela União Europeia , emitiu relatórios sobre como gerenciar a biologia sintética. Um artigo de 2007 identificou questões-chave em segurança, proteção, ética e a interface ciência-sociedade, que o projeto definiu como educação pública e diálogo contínuo entre cientistas, empresas, governo e especialistas em ética. Os principais problemas de segurança identificados pela SYNBIOSAFE envolviam o envolvimento de empresas que vendem DNA sintético e a comunidade de biólogos amadores de biohacking . As principais questões éticas diziam respeito à criação de novas formas de vida.

Um relatório subsequente enfocou a biossegurança, especialmente o chamado desafio do uso duplo . Por exemplo, embora a biologia sintética possa levar a uma produção mais eficiente de tratamentos médicos, ela também pode levar à síntese ou modificação de patógenos prejudiciais (por exemplo, varíola ). A comunidade de biohacking continua sendo uma fonte de preocupação especial, pois a natureza distribuída e difusa da biotecnologia de código aberto torna difícil rastrear, regular ou mitigar potenciais preocupações sobre biossegurança e biossegurança.

COSY, outra iniciativa europeia, centra-se na percepção e comunicação do público. Para melhor comunicar a biologia sintética e suas ramificações sociais a um público mais amplo, COSY e SYNBIOSAFE publicaram SYNBIOSAFE , um documentário de 38 minutos, em outubro de 2009.

A International Association Synthetic Biology propôs a autorregulação. Este propõe medidas específicas que a indústria de biologia sintética, especialmente as empresas de síntese de DNA, devem implementar. Em 2007, um grupo liderado por cientistas de empresas líderes de síntese de DNA publicou um "plano prático para o desenvolvimento de uma estrutura de supervisão eficaz para a indústria de síntese de DNA".

Estados Unidos

Em janeiro de 2009, a Alfred P. Sloan Foundation financiou o Woodrow Wilson Center , o Hastings Center e o J. Craig Venter Institute para examinar a percepção pública, a ética e as implicações políticas da biologia sintética.

De 9 a 10 de julho de 2009, o Comitê de Ciência, Tecnologia e Direito das Academias Nacionais organizou um simpósio sobre "Oportunidades e Desafios no Campo Emergente da Biologia Sintética".

Após a publicação do primeiro genoma sintético e a cobertura da mídia que o acompanhou sobre a criação da "vida", o presidente Barack Obama estabeleceu a Comissão Presidencial para o Estudo de Questões Bioéticas para estudar a biologia sintética. A comissão convocou uma série de reuniões e publicou um relatório em dezembro de 2010 intitulado "Novos rumos: a ética da biologia sintética e tecnologias emergentes". A comissão afirmou que "embora a realização de Venter tenha marcado um avanço técnico significativo na demonstração de que um genoma relativamente grande pode ser sintetizado com precisão e substituído por outro, isso não equivale à" criação de vida ". Observou que a biologia sintética é um campo emergente , que cria riscos e recompensas potenciais. A comissão não recomendou mudanças de política ou supervisão e solicitou o financiamento contínuo da pesquisa e um novo financiamento para monitoramento, estudo de questões éticas emergentes e educação pública.

A biologia sintética, como uma ferramenta importante para os avanços biológicos, resulta no "potencial para o desenvolvimento de armas biológicas, possíveis impactos negativos imprevistos na saúde humana ... e qualquer impacto ambiental potencial". A proliferação de tal tecnologia também pode tornar a produção de armas biológicas e químicas disponível para uma gama mais ampla de atores estatais e não-estatais . Essas questões de segurança podem ser evitadas regulamentando os usos da biotecnologia pela indústria por meio de legislação política. Diretrizes federais sobre manipulação genética estão sendo propostas pela "Comissão de Bioética do Presidente ... em resposta à anunciada criação de uma célula auto-replicante a partir de um genoma sintetizado quimicamente, apresentou 18 recomendações não apenas para regular a ciência ... para educar o público".

Oposição

Em 13 de março de 2012, mais de 100 grupos ambientais e da sociedade civil, incluindo Amigos da Terra , o Centro Internacional de Avaliação de Tecnologia e o Grupo ETC, publicaram o manifesto Os Princípios para a Supervisão da Biologia Sintética . Este manifesto pede uma moratória mundial sobre a liberação e uso comercial de organismos sintéticos até que regulamentos mais robustos e medidas de biossegurança rigorosas sejam estabelecidas. Os grupos pedem especificamente uma proibição total do uso de biologia sintética no genoma humano ou no microbioma humano . Richard Lewontin escreveu que alguns dos princípios de segurança para supervisão discutidos em Os Princípios para a Supervisão da Biologia Sintética são razoáveis, mas que o principal problema com as recomendações do manifesto é que "o público em geral não tem a capacidade de impor qualquer realização significativa dessas recomendações ".

Saúde e segurança

Os riscos da biologia sintética incluem riscos de biossegurança para os trabalhadores e o público, riscos de biossegurança decorrentes da engenharia deliberada de organismos para causar danos e riscos ambientais. Os riscos de biossegurança são semelhantes aos dos campos existentes da biotecnologia, principalmente a exposição a patógenos e produtos químicos tóxicos, embora novos organismos sintéticos possam ter novos riscos. Para a biossegurança, existe a preocupação de que organismos sintéticos ou redesenhados possam teoricamente ser usados para bioterrorismo . Os riscos potenciais incluem a recriação de patógenos conhecidos do zero, a engenharia de patógenos existentes para serem mais perigosos e a engenharia de micróbios para produzir bioquímicos prejudiciais. Por último, os riscos ambientais incluem efeitos adversos sobre a biodiversidade e os serviços ecossistêmicos , incluindo mudanças potenciais no uso da terra resultantes do uso agrícola de organismos sintéticos.

Os sistemas de análise de risco existentes para OGMs são geralmente considerados suficientes para organismos sintéticos, embora possa haver dificuldades para um organismo construído "de baixo para cima" a partir de sequências genéticas individuais. A biologia sintética geralmente se enquadra nos regulamentos existentes para OGM e biotecnologia em geral, e quaisquer regulamentos que existam para produtos comerciais posteriores, embora geralmente não haja regulamentos em qualquer jurisdição que sejam específicos para a biologia sintética.

Veja também

Referências

Bibliografia

Igreja, George; Regis, Ed (2012). Como a biologia sintética reinventará a natureza e a nós mesmos . New York, NY: Basic Books . ISBN 978-0465021758.
Comissão Europeia (2016) Synthetic biology and biodiversity ; Ciência para a Política Ambiental (2016); Future Brief 15. Produzido para a DG Ambiente da Comissão Europeia pela Unidade de Comunicação da Ciência, UWE, Bristol. [1] , PDF, 36 páginas.
Venter, Craig (2013). Vida na velocidade da luz: a dupla hélice e o amanhecer da vida digital . New York, NY: Penguin Books. ISBN 978-0670025404.

links externos

Livros de biologia sintética, livros e livros de ciências populares
Resumo Introdutório de Biologia Sintética . Visão geral concisa dos conceitos, desenvolvimentos e aplicações da biologia sintética
Artigo de visão geral colaborativa sobre Biologia Sintética
A controversa startup de DNA quer permitir que os clientes criem criaturas (03/01/2015), San Francisco Chronicle
It's Alive, But Is It Life: Synthetic Biology and the Future of Creation (28 de setembro de 2016), World Science Festival

Languages

In other projects