Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Biologia Ensino Médio, 3º Ano Tecnologia de manipulação do DNA: riscos e benefícios

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1 Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Biologia Ensino Médio, 3º Ano Tecnologia de manipulação do DNA: riscos e benefícios

2 É interessante ler Sequenciado genoma do Aedes aegypti Análise: pode ajudar a explicar a ligação simbiótica entre mosquito e os vírus da dengue e da febre amarela Mosquito Aedes aegypti, transmissor da dengue e da febre amarela. Um consórcio de pesquisadores de vários países, inclusive do Brasil, deu mais um importante passo na luta contra doenças transmitidas pelo Aedes aegypti: a dengue e a febre amarela. O genoma do mosquito acaba de ser sequenciado, o que pode fornecer pistas sobre a interação do vetor com os vírus. [...] Aos cientistas brasileiros, da Universidade de São Paulo (USP) e do Instituto Butantan, coube o sequenciamento dos genes ativos, ou seja, aqueles que codificam proteínas envolvidas nas diversas funções e características do organismo. Mapear quais são e onde se localizam os genes ativos é fundamental para se entender o genoma por completo, afirma o bioquímico Sergio Verjovski-Almeida, do Departamento de Bioquímica da USP. [...] Os próximos esforços para o desenvolvimento de estratégias de combate à dengue e à febre amarela devem incluir a tentativa de produzir inseticidas baseados na sequência de genes do A. aegypti. O conhecimento do código genético do mosquito é fundamental para que se desenvolvam drogas específicas que atuem diretamente contra ele, destaca o pesquisador. Fonte: RODRIGUES, J.G. Sequenciaram genoma do Aedes aegypti. Revista Ciência Hoje on line. Disponível em : > Acesso em 18 de maio de Imagem: James Gathany / United States Department of Health and Human Services / public domain.

3 Imagem: Mstroeck / GNU Free Documentation License. Tecnologias do DNA Quais as tecnologias empregadas para que fosse possível sequenciar o genoma do Aedes aegypti? Estrutura do DNA O texto anterior é um convite a uma área da Biologia extremamente rica em informações e que, direta ou indiretamente, influencia a sociedade. Trata-se da Engenharia Genética ou Tecnologia do DNA recombinante. Nas últimas décadas, a Engenharia Genética gerou conhecimentos que se converteram em tecnologias importantes para o dia a dia do ser humano.

4 A Biotecnologia moderna A Genética molecular tem sido um campo de estudo muito amplo, propiciando o desenvolvimento da Biotecnologia. A Biotecnologia corresponde a técnicas que permitem o uso de organismos para a produção de substâncias úteis ao ser humano. Com os avanços do conhecimento científico, surge uma nova Biotecnologia que inclui modernas técnicas de manipulação do DNA, permitindo manipular o genoma dos organismos; transplantar genes de uma espécie para outra; construir sequências de DNA em laboratório.

5 A genética molecular e suas aplicações Os avanços da Engenharia Genética permitiram conhecer, sequenciar e até alterar o código genético de um ser vivo. Essas informações têm sido aplicadas em muitas situações que envolvem a nossa vida, tais como serviços de aconselhamento genético, prevenção de doenças hereditárias e diagnóstico pré-natal sobre anomalias genéticas em fetos; identificação de pessoas com base na análise de DNA; testes de paternidade; produção de medicamentos. As bases para a Engenharia Genética estão na técnica do DNA recombinante, utilizada por muitos pesquisadores.

6 As enzimas de restrição Vamos conhecer um pouco isso? Na década de 1970, descobriu-se que certas enzimas bacterianas, chamadas enzimas de restrição ou endonucleases, podiam cortar a molécula de DNA em pontos específicos e de forma controlada. As enzimas de restrição são produzidas naturalmente pelas bactérias e atuam contra a invasão de vírus bacteriófagos. São tesouras químicas altamente específicas, pois cada tipo de enzima reconhece e corta apenas uma determinada sequência de nucleotídeos. Bactérias Escherichia coli ao microscópio Imagem: Rocky Mountain Laboratories / National Institutes of Health / public domain.

7 Enzimas de restrição Atualmente, existem inúmeras enzimas de restrição identificadas, isoladas das bactérias e purificadas em laboratório para a comercialização. O nome de uma enzima de restrição é formado pelas iniciais do nome da espécie e, às vezes, a sigla da linhagem que a produz. Tabela: nome de algumas enzimas, bactérias que as produzem e a sequência de corte das bases nitrogenadas. NOME DA ENZIMA Aha III Bam HI Eco RI Hind III Taq I BACTÉRIA DE ORIGEM Aphanothece halophytica Bacillus Amyloliquefaciens H Escherichia Coli RY 13 Haemoplhilus Influenza Rd Thermus Aquaticus YTI SÍTIO DE AÇÃO 5 -TTTAAA-3 3 -AAATTT-5 5 -GGATCC-3 3 -CCTAGG-5 5 -GAATTC-3 3 -CTTAAG-5 5 -AAGCTT-3 3 -TTCGAA-5 5 -TCGA AGCT - 5 Fonte: AMABIS,J.M.MARTHO,G.R.Biologia dos organismos. São Paulo:Editora Moderna, 2010, adaptado.

8 As bactérias possuem, além das enzimas de restrição, DNA principal e pequeno DNA circular, chamado plasmídeo, no qual estão inseridos genes que lhes dão resistência a antibióticos. O avanço das pesquisas científicas possibilitou a utilização dos plasmídeos como vetores para manipulação do DNA. Representação de uma célula bacteriana. Em destaque, um plasmídeo. Imagem: Spaully / Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic. Os cientistas conseguiram unir trechos de plasmídeo com fragmentos de DNA isolados de outros organismos! Imagem: Sec11 / GNU Free Documentation License.

9 DNA recombinante: clonagem molecular Esquema da clonagem molecular com o uso do DNA recombinante O que é DNA recombinante? No processo de produção de um DNA recombinante, corta-se, com a enzima de restrição específica, o plasmídeo e o emenda a um segmento de DNA selecionado de outra espécie; O DNA recombinante é introduzido em uma bactéria hospedeira; Quando a bactéria transformada se reproduz, o DNA recombinante também se replica, obtendo-se milhões de bactérias idênticas ou clones. Plasmídeo Hospedeiro Extremidades Coesivas O resultado é a formação de uma colônia de bactérias transgênicas, capazes de sintetizar substâncias úteis ao ser humano. Lugar da Clivagem Clivagem por Endonucleases de restrição Anelamento Genes Específicos DNA recombinado do plasmídeo Ponto de ligação e anelamento Imagem: Autor desconhecido / GNU Free Documentation License.

10 Aplicação da clonagem molecular Representação esquemática da técnica da clonagem molecular. A insulina foi a primeira proteína humana produzida pela Engenharia Genética em células de bactéria e aprovada para uso em pessoas. 1- O vetor DNA da bactéria e o gene da insulina do DNA humano são isolados pelas enzimas de restrição. 2- Com a ajuda da emzima DNA ligase, o DNA humano é então ligado ao plasmídeo vetor. 3- O plasmídeo recombinante é introduzido na bactéria hospedeira, que, ao se reproduzir, passa a fazer cópias produtoras de insulina humana. Plasmídeo Hospedeiro Extremidades Coesivas Lugar da Clivagem Clivagem por Endonucleases de restrição Anelamento Genes Específicos DNA recombinado do plasmídeo Ponto de ligação e anelamento Imagem: Autor desconhecido / GNU Free Documentation License.

11 Reflexão e discussão A tecnologia de manipulação do DNA tem melhorado a qualidade de vida das pessoas com diabetes. A técnica do DNA recombinante permitiu que bactérias transgênicas produzissem uma insulina idêntica a do pâncreas humano, evitando assim complicações por alergia. Compare as vantagens da insulina produzida com base na técnica da clonagem molecular com a insulina produzida por outras fontes. Para isso, pesquise e se atualize. Curiosidade: a Engenharia Genética vem revolucionando o tratamento de outras deficiências metabólicas como a produção de hormônio de crescimento. Este é produzido pela hipófise e sua deficiência no organismo pode comprometer o crescimento da criança. Pesquise como era realizado o tratamento para a deficiência hipofisária da somatotrofina. Registre suas observações.

12 Clonagem molecular em outros organismos Dependendo do objetivo, além de bactérias, outros organismos também são utilizados para clonar segmentos de DNA. Observe: Vírus bacteriófago ao microscópio Os vírus bacteriófagos são utilizados como vetores e podem clonar fragmentos maiores de DNA; Outra maneira de obter clones de segmento de DNA é a utilização da levedura Sacchamyces cerevisae, que recebe um segmento de DNA plasmidial e, ao ser reproduzido, transmite as células filhas às substâncias que se quer produzir. Imagem: Hans-Wolfgang Ackermann / Creative Commons Attribution 2.5 Generic.

13 Técnica da eletroforese: separação de fragmentos de DNA Outro método que tem numerosas aplicações é a eletroforese. Consiste na separação de substâncias (DNA, RNA ou proteínas) utilizando um campo elétrico. Veja o procedimento da separação em gel do DNA: 1- Submetem-se fragmentos de DNA em uma placa contendo gel de algarose (carboidrato extraído da parede celular de algas) que recebe uma corrente elétrica; 3- Quando a corrente elétrica é desligada, os fragmentos param em posições diversas em forma de bandas ou faixas. 2- Os fragmentos de DNA percorrem o gel e se deslocam em direção ao polo elétrico positivo (os menores se movimentam mais rapidamente que os maiores). 4- Aplica-se brometo de etídio (C 21 H 2 OBrN 3 ) corante que adere ao DNA que, quando iluminado com raios ultravioletas, fluoresce e possibilita a visualização das bandas de DNA.

14 DNA fingerprint: impressão digital genética O resultado da eletroforese é uma imagem fotográfica semelhante a um código de barras ou impressão digital : é o DNA fingerprint. Observe a imagem! Filme de bandas de DNA Equipamento para eletroforese em gel Imagem: Mnolf / GNU Free Documentation License. Imagem: Jeffrey M. Vinocur / GNU Free Documentation License.

15 Hibridação molecular e detecção de pessoas pelo DNA Nos seres eucarióticos, o corte do DNA por uma endonuclease de restrição produz uma quantidade muito grande de fragmentos, impossível de se visualizar na separação eletroforética. Para que a visualização aconteça, usa-se a técnica da hibridação molecular; dessa forma, apenas determinadas bandas de DNA são evidenciadas. A hibridação molecular é uma técnica empregada na identificação de pessoas e consiste em tratar o gel de modo a separar as cadeias duplas dos fragmentos de DNA e de sequências específicas especiais, as chamadas sondas de DNA. Dessa forma, apenas determinadas bandas são marcadas e podem ser analisadas. AMABIS, J.M.; MARTHO, G.R. Biologia dos organismos. São Paulo: Editora Moderna, 2010.

16 As sequências de DNA utilizadas para identificar pessoas No caso da identificação de pessoas, as sequências de DNA usadas para detectar o DNA fringerprint são chamadas VNTR (Variable Number of Tandem Repeats), isto é, número variável de repetições em sequências, e são formadas por repetições de poucos nucleotídeos. Com exceção dos gêmeos univitelínicos, cada pessoa tem um padrão específico de repetições herdados dos pais.

17 Aplicações práticas de DNA fingerprint A popularidade do DNA se deve, entre outros fatores, aos testes de paternidade propagados pela mídia. Teste de paternidade: compare os códigos de barra da mãe e da criança com o código de barra dos dois prováveis pais. A criança deve ter 50% do padrão de barras da mãe e 50% do padrão de barras do pai. Mãe Criança Homem A Homem B Descubra quem é o pai da criança! Fonte:

18 Se você respondeu homem B, parabéns! Mãe Criança Homem A Homem B Os testes que utilizam DNA fingerprint são tão seguros que fornecem 99,9% de certeza. Observe que as três bandas de DNA de origem paterna (não encontradas na mãe) ocorrem no homem B. Para realizar o exame de DNA, basta ter qualquer amostra biológica, como pele, cabelo, sangue, sêmen, entre outras. Teste de paternidade. Identificação de pessoas em investigações policiais ou judiciais. Aconselhamento genético.

19 PCR: Técnica em reação de cadeia polimerase E quando a amostra biológica contendo fragmentos de DNA não é suficiente para a realização de análises? A técnica da PCR (Polimerase Chain Reaction) foi desenvolvida em 1985, pelo cientista Kary Mullis (prêmio Nobel em Química, 1993). O objetivo dessa técnica é fazer cópias de trechos de DNA in vitro, usando polimerases do DNA. Nesse caso, o DNA, ao ser analisado, passa pelos seguintes processos: É submetido a altas temperaturas (cerca de 94 0 C por minuto); Ocorre, então, a separação da dupla hélice; Com a temperatura mais baixa, são empregadas as polimerases que atuam completando os pares de bases de cada hélice separada; Dessa maneira, de uma molécula de DNA, formam-se duas.

20 Projeto Genoma Humano O Projeto Genoma Humano (PGH) foi um dos grandes feitos da história da Genética e sua conclusão se deu em abril de Com a utilização de tecnologias muito sofisticadas, foi possível mapear o DNA humano em 99,99%. São aplicações do PGH: Identificação de genes que causam ou predispõem doenças genéticas e câncer. No aconselhamento genético, análise das chances de um casal ter filhos portadores de anomalias hereditárias. Identificação de genes que predispõem doenças metabólicas como diabetes. Produção de remédios que atuam com mais eficácia e de forma específica.

21 Pesquisa genética e sociedade A conclusão do Projeto Genoma Humano é mais um passo importante para se identificar o funcionamento de cada gene, de cada proteína. Será que a ciência vai ser capaz de prever o futuro? A identificação do genoma humano abriu um leque de discussões sobre incertezas éticas e legais, a respeito do uso da informação do código genético de uma pessoa para determinados fins. Assim, é necessário privacidade de informações; segurança e eficácia dos testes genéticos; justiça no uso da informação. Cariótipo humano normal: conjunto de cromossomos de uma pessoa do sexo masculino. Imagem: Autor desconhecido / National Human Genome Research Institute / public domain.

22 Plantas Transgênicas Fotografia de planta do tabaco com gene de vagalume Que são organismos transgênicos? Os Organismos Geneticamente Modificados (OGM), ou transgênicos, são aqueles que recebem genes de outras espécies. Curiosidade: os cientistas conseguiram introduzir, na planta do tabaco, um gene de vagalume capaz de sintetizar a enzima luciferase que catalisa, nesse inseto, a degradação da luciferina (proteína que produz luz). O gene clonado em plasmídeo multiplicou-se em bactérias e, depois de purificado, foi injetado na célula de fumo. O gene modificado passou para o DNA da planta, que, quando regada com luciferina, emitia luz como o vagalume. Imagem: Autor desconhecido / GNU Free Documentation License.

23 Mantenha-se atualizado! Confronte as ideias e tire suas próprias conclusões! Você acha que a sociedade deveria ser melhor informada sobre os alimentos transgênicos? Você tem o hábito de ler rótulos e embalagens para conhecer a origem dos produtos que consome? Símbolo de transgênico: é obrigatória a presença deste símbolo nos rótulos dos produtos que contenham acima de 1% de OGM em sua composição. Para os críticos, ainda não há estudo suficiente sobre os efeitos dos alimentos/organismos geneticamente modificados (OMG) no organismo humano. Pesquise em jornais, livros e internet sobre o tema e registre suas observações. T

24 Pesquisa Genética e Sociedade As técnicas da Engenharia Genética com o uso dos transgênicos abrem caminho para o tratamento de doenças hereditárias, com aplicação da terapia gênica ou geneterapia. Trata-se de um procedimento complexo que se encontra em fase experimental, mas que desperta muita polêmica. Essa técnica consiste em substituir o gene causador da doença pelo alelo normal. Doenças como a fibrose cística, anemia falciforme, fenilcetonúria, entre outras, têm sido alvo do estudo da terapia gênica. Imagem de célula para uso em terapia gênica Imagem: Mnolf / GNU Free Documentation License.

25 Referências AMABIS, J.M.; MARTHO, G.R. Biologia das Populações, v3. São Paulo: Editora Moderna, BIZZO, N. Ciências: fácil ou difícil? São Paulo: Ática, FLORIANI, Adriano. Conheça as razões de quem defende os transgênicos. Repórter Terra. Disponível em: > Acesso em 27 de maio de JÚNIOR, C.S.; SASSO, N.S.; JÚNIOR, N.C. Biologia v3. São Paulo: Editora Saraiva, LAURENCE, J.; MENDONÇA, V. Biologia: Ser humano, Genética e Evolução v3., São Paulo: Editora Nova Geração, LINHARES, S.; GEWANDSZNAJDER, F. Biologia hoje: genética, evolução e ecologia. São Paulo: Editora Ática, LOPES, S.; ROSSO, S. Bio: v.2, 1. ed. São Paulo: Saraiva, 2010.

26 Referências MARANDINO, M; SELLES, S.E.; FERREIRA, M.S. Ensino de Biologia: histórias e práticas em diferentes espaços educativos. São Paulo: Editora Cortez, PESSOA, O. Frota. Biologia. v. 3, São Paulo: Scipione, PEZZI, A.; GOWDAK, D.O.; MATTOS, N.S. Biologia: genética, evolução e ecologia, v3. São Paulo: FTD, POZZO, J. I.; CRESPO, M. A. G. A aprendizagem e o ensino de ciências: do conhecimento cotidiano ao conhecimento científico. Porto Alegre: Artmed, RODRIGUES, J. G. Sequenciaram genoma do Aedes aegypti. Revista Ciência Hoje n line. Disponível em : > Acesso em 18 de maio de SANTOS, F. S. (Org.) Biologia: ser protagonista v3. São Paulo: Edições SMS, 2010.

27 Tabela de Imagens n do slide direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso 3 James Gathany / United States Department of Health and Human Services / public domain. 4 Mstroeck / GNU Free Documentation License. 7 Rocky Mountain Laboratories / National Institutes of Health / public domain. 9A Spaully / Creative Commons Attribution- Share Alike 2.5 Generic. egypti_cdc-gathany.jpg erview_it_.png hia_coli.jpg?uselang=pt-br (english).svg 9B Sec11 / GNU Free Documentation License. em.jpg?uselang=pt-br 10 e 11 Autor desconhecido / GNU Free Documentation License. rmation_of_plasmids.svg 14 Hans-Wolfgang Ackermann / Creative Commons Attribution 2.5 Generic. -PM2.png 16A Mnolf / GNU Free Documentation License. trophoresis_2.jpg 16B Jeffrey M. Vinocur / GNU Free Documentation License. trophoresis_apparatus.jpg 24 Autor desconhecido / National Human Genome Research Institute / public domain. tral_karyotype.gif 21/08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/ /08/2012

28 Tabela de Imagens n do slide direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se conseguiu a informação Data do Acesso 25 Autor desconhecido / GNU Free Documentation License. _tobacco_plant.jpg 26A Marrabbio2 / public domain. nio_rerio.jpg 26B / the use of this image is free for any purpose. pg 31 Mnolf / GNU Free Documentation License. st_fusion.jpg 21/08/ /08/ /08/ /08/2012