Matéria: Biologia Assunto: Moléculas, células e tecidos - biotecnologia Prof. Enrico Blota

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1 Matéria: Biologia Assunto: Moléculas, células e tecidos - biotecnologia Prof. Enrico Blota

2 Biologia Moléculas, células e tecidos - Biotecnologia É a área da biologia que estuda o conjunto de técnicas que permite à Indústria cultivar microrganismos para produção. A Biotecnologia abrange diferentes áreas do conhecimento que incluem a ciência básica (Biologia Molecular, Microbiologia, Biologia celular, Genética, Genômica, Embriologia etc.), a ciência aplicada (Técnicas imunológicas, químicas e bioquímicas) e outras tecnologias (Informática e Robótica, por exemplo). A Engenharia Genética ocupa um lugar de destaque como tecnologia inovadora, pois permite substituir métodos tradicionais de produção (Hormônio de crescimento, Insulina) e permite obter produtos inteiramente novos (Organismos transgênicos). A Biotecnologia transforma nossa vida cotidiana e o seu impacto atinge vários setores produtivos, oferecendo novas oportunidades de emprego e inversões. Hoje contamos com plantas resistentes a doenças, plásticos biodegradáveis, detergentes mais eficientes, biocombustíveis, processos industriais e agrícolas menos poluentes, novos medicamentos e um futuro promissor no tratamento de diversas doenças. Leitura obrigatória Fatores importantes a se considerar em biotecnologia (adaptado de Um gene é um fragmento de DNA que apresenta uma cadeia de bases nitrogenadas. É caracterizado por sua função e também a proteína que irá formar a partir do dogma central da biologia DNA RNA PROTEÍNAS. A ordem das bases nigrogenadas dos ácidos nucléicos é o que determina o o código genético. Assim, temos a formação de RNAm e proteínas. Ao criarem proteínas, os genes constroem características. Um genoma de um ser vivo é o seu conjunto de genes guardado no núcleo (no caso dos eucariontes) ou disperso no citoplasma (no caso dos procariontes). A transcrição gênica de um RNA tem início quando a enzima polimerase do RNA se encaixa em uma sequência especial de bases do DNA denominada região promotora de um gene e termina em uma sequência de término da transcrição. Estudos mostram que transcrição e tradução em bactérias e eucariotos apresentam aspectos bastantes distintos. Um deles é quanto ao número de polipeptídios traduzidos a partir de um RNA mensageiro. Em bactérias, a molécula de RNAm contém, em geral, a instrução para a síntese de mais de uma cadeia polipeptídica. Em escherichia coli, por exemplo, as enzimas betagalactosidase, galactosidio-permease e acetilase são traduzidas a partir de uma única molécula de RNAm. Por outro lado, nos eucariontes, a regra é cada RNAm ser traduzido em um único tipo de polipeptídio. Nos humanos há em torno de 3 bilhões de bases do DNA, porém há porções desse DNA que não são codificantes (não formam proteínas - DNA lixo). Essas porções são chamadas de introns. As porções que codificam proteínas são chamadas de exons e representam uma pequena porcentagem do DNA. Entre as modificações sofridas no RNAm, a mais notável é a remoção dos introns, processo que recebeu a denominação, em inglês, de splicing, que significa corte e emenda. O processo de splicing do RNAm é realizado por um complexo de partículas e enzimas nucleares conhecido como spliciossomo. As partículas que compõe o spliciossomo são 2

3 Biologia Prof. Enrico Blota constituídas por proteínas e por pequenas moléculas de um tipo especial de RNA encontrado no núcleo, conhecido como snrna (small nuclear RNA, pequeno RNA nuclear). Diz-se que o código genético é universal, ou seja, os mesmos códons estão relacionados aos mesmos aminoácidos em todos os seres vivos do planeta; é não ambíguo, ou seja, uma trinca ou códon só determina um único aminoácido e nunca outro; é degenerado ou redundante, ou seja, mais de um códon pode codificar o mesmo aminoácido, ou seja, várias trincas podem codificar o mesmo aminoácido. A ENGENHARIA GENÉTICA é a área da genética que envolve a manipulação dos genes e a criação de diversas combinações entre os genes de organismos diferentes. As possibilidades são as mais variadas, sendo possível produzir e até modificar os seres vivos, bem como aumentar sua produção. O plasmídio bacteriano é o DNA extra, circular e relacionado à reprodução sexuada (conjugação). usado em biotecnologia na produção de diversas moléculas. O sucesso da produção de animais transgênicos abriu a perspectiva de correção de doenças genéticas, procedimento chamado de geneterapia. Teoricamente, seria possível substituir ou adicionar às células de uma pessoa doente uma cópia correta do alelo alterado, causador da doença genética. Mas apesar desse tipo de tratamento ainda não ser uma realidade prática, muitos já se preocupam com os problemas éticos que ele possa trazer. Alguns argumentam que a geneterapia poderia levar a um controle da distribuição de genes humanos. Outros acreditam que não haveria nenhuma diferença entre a engenharia genética de células humanas e outros métodos convencionais de terapia. * Enzimas de restrição (Endonucleases de restrição) São enzimas bacterianas que atuam como tesouras moleculares, reconhecendo sequências de pares de bases específicas em moléculas de DNA e cortando-as nesses pontos. Elas são altamente específicas: cada tipo de enzima reconhece e corta apenas uma determinada sequência de nucleotídios, em geral constituída por 4 ou 6 pares de bases nitrogenadas. Endonucleases de restrição são comparáveis e ferramentas que permitem cortar moléculas de DNA de forma controlada e previsível. 3

4 * Eletroforese Separação eletroforética de fragmentos de DNA. É realizada em uma placa de gelatina especial (gel). A solução contendo os fragmentos de DNA é colocada em fendas em uma das extremidades do gel, à qual é conectado o pólo negativo de uma fonte geradora de corrente elétrica; à extremidade oposta do gel é ligada o pólo positivo da fonte. A aplicação de uma diferença de potencial na placa de gel faz os fragmentos de DNA se deslocarem em direção ao pólo positivo, uma vez que eles possuem carga elétrica negativa. O deslocamento dos fragmentos de DNA no gel é comparável a uma corrida de obstáculos, representados pelas fibras que formam o gel; o DNA movimenta-se entre as fibras e, quanto menor o tamanho do fragmento, maior a velocidade com que ele se desloca. Quando o campo elétrico é desligado, fragmentos do mesmo tamanho estacionam juntos em determinada posição na placa de gel, formando uma faixa ou banda. As bandas podem ser visíveis com auxílio de uma substância especial (brometo de etídio) que forma um complexo que se torna visível quando iluminado com raios ultravioleta. 4

5 Biologia Prof. Enrico Blota * Expressão de genes em bactérias 5

6 * Genoma humano Teve início em outubro de 1990, com a publicação de um plano de pesquisa cujo o objetivo principal era determinar a sequência de todos os nucleotídios dos 24 cromossomos constituintes do genoma humano (os 22 autossomos e os cromossomos sexuais X e Y). Outro objetivo era identificar todos os genes humanos. Em 26 de junho de 2000, os pesquisadores Francis Collins (líder do consórcio público do projeto) e Craig Venter (presidente da Celera Genomics) anunciaram na Casa Branca (EUA), a conclusão de um esboço geral do genoma humano. Os trabalhos foram publicados em revistas científicas importantes como a Cience e Nature em fevereiro de Com o final do sequenciamento conclui-se que o genoma humano é constituído por cerca de 3 bilhões de pares de nucleotídios, distribuídos nos 22 autossomos e nos cromossomos sexuais X e Y. Para se ter idéia de tudo isso, se escrevêssemos a sequência de iniciais das bases (A,T,C e G) de apenas uma das cadeias do DNA constituintes dos 24 cromossomos humanos em tipos bem pequenos, preencheríamos mais de 200 volumes equivalentes a grossas listas telefônicas. Apenas 3% disso corresponde a genes; 97% são sequências não codificantes, isto é, não transcritas para moléculas de RNA. O número total de genes humanos (cerca de ) é bem menor do que o previsto antes do sequenciamento do genoma humano. Quanto a esse número, estamos em pé de igualdade com os camundongos e pouco acima das moscas, cujo genoma possui genes. Assim, a quantidade de genes não é o que faz a diferença entre o grau de complexidade dos organismos, mas sim como esses genes funcionam, suas relações entre si e com o ambiente. Muitos de nossos genes são semelhantes aos de bactérias e vírus. Cerca de 40% de nossos genes são semelhantes aos de vermes nematoideos, 60% são semelhantes aos de Drosophilas e nada menos que 90% de nossos genes são semelhantes aos dos camundongos. Diferimos do nosso parente mais próximo, o Chimpanzé, em apenas 1% das sequências de DNA, ou seja, em apenas 1 par de bases nitrogenadas a cada 100 pares. Vale lembrar que proteoma é um conjunto de todas proteínas produzidas por uma espécie. A partir do sequenciamento do genoma humano estuda-se agora as milhares de proteínas que o homem pode produzir, bem como sua composição, estrutura e funções que podem desempenhar. Não é suficiente enumerar a sequência de aminoácidos que formam as proteínas, pois sua estrutura tridimensional também é importante para sabermos o papel que elas realizam. Clonagem É um termo usado para a reprodução que forma indivíduos geneticamente iguais. O resultado são cópias idênticas de um ser vivo que se deseja cultivar. Um exemplo muito comum é o cultivo de estacas de vegetais a partir de uma planta mãe. As plantas descendentes podem ser chamadas de clones, já que possuem o mesmo material genético da planta mãe. No caso de muitos microorganismos é comum a formação de clones naturais a partir da reprodução por divisão binária, como o que ocorre em bactérias e muitos unicelulares. Os clones não chamaram atenção durante anos, pois a clonagem se restringia principalmente a plantas e protozoários. Mas em 1996, um anúncio marcou a história da ciência, onde um escocês chamado Ian Wilmut, do instituto Roslin, de Edimburgo, com colaboradores, conseguiu mostrar que era possível, a partir de uma célula somática diferenciada, clonar um mamífero. Tratava-se da ovelha Dolly, da raça Finn Dorset. O maior feito dos cientistas, foi fazer com que uma célula adulta se tornasse totipotente (células-tronco) de novo. As células-tronco (ou totipotentes) possuem a capacidade de se diferenciarem em diferentes tipos de células, em um processo antes considerado 6

7 Biologia Prof. Enrico Blota irreversível. Esse foi um dos casos de clonagem reprodutiva mais importantes de todos os tempos, pois foi inovador e abriu novos caminhos para essa área da ciência. ( Comentário A Clonagem terapêutica baseia-se na formação de tecidos ou órgãos a partir de células tronco com imenso potencial para ser usada no futuro com muita eficácia, já que temos possibilidade de formação de órgãos reais humanos. 7

8 * Clonagem molecular de DNA 8

9 Biologia Prof. Enrico Blota * Transgênicos As técnicas de engenharia genética tornaram possível introduzir, por exemplo, genes humanos em camundongos e até bactérias, ou genes de insetos em plantas, dentre outros casos. Os organismos que recebem e incorporam em seu genoma genes de outra espécie são chamados de organismos transgênicos. Diversos são os organismos transgênicos produzidos na atualidade, tendo destaque a produção de soja transgênica e outros vegetais. Experimentos envolvendo genes que estão envolvidos na bioluminescência foram feitos com sucesso, como é o caso de camundongos com genes de cnidários que produzem luz e da planta tabaco com gene de vagalume. Células tronco (embrionárias ou adultas) São tipos especiais de células capazes de se diferenciar e constituir diferentes tecidos do organismo. Possuem uma enzima chamada telomerase, que torna as células capazes de se dividir indefinidamente, o que não ocorre com outras células. 9

10 * Os tipos de células tronco: - Totipotentes São células que produzem todas as células embrionárias e extraembrionárias (como os anexos embrionários). - Pluripotentes São as células que podem produzir todos os tipos celulares de um embrião. - Multipotentes Podem produzir células de várias linhagens diferentes. Alguns autores usam os termos pluripotentes e multipotentes como sendo da mesma classe de células tronco - Oligopotentes Produzem células de apenas uma linhagem celular. - Unipotentes Podem produzir apenas um único tipo de célula madura. 10