Biotecnologia

 A biotecnologia é uma área que visa desenvolver produtos e processos biológicos com a ajuda da ciência e da tecnologia. A Organização das Nações Unidas (ONU) classifica biotecnologia como “qualquer aplicação tecnológica que utiliza sistemas biológicos, organismos vivos, ou seres derivados, para fabricar ou modificar produtos ou processos para utilização específica”.

A biotecnologia abrange diferentes áreas do conhecimento que incluem a ciência básica (como biologia molecular, microbiologia, etc.), a ciência aplicada (como técnicas imunológicas, químicas e biológicas) com tecnologias diversas (como informática, robótica e controle de processos).

O profissional de biotecnologia é multidisciplinar, pois entende de todas – ou quase todas – as áreas citadas. Seu alvo é sempre melhoramento genético, criação e gerenciamento de novos produtos como medicamentos, ingredientes para alimentos ou até indivíduos como plantas.

A engenharia genética ocupa uma posição de destaque nessa área como tecnologia inovadora por permitir subsidiar métodos tradicionais de produção ou por permitir a obtenção de produtos inteiramente novos como os transgênicos. A biotecnologia age como uma ferramenta inovadora da vida cotidiana com impactos em vários setores produtivos e oferecendo desenvolvimento para várias nações.

Uma aplicabilidade constante da biotecnologia é na indústria:

• Indústria farmacêutica: desenvolvimento de novas drogas, produção e melhoramento de antibióticos, vacinas, estabelecimentos de terapias gênicas e demais projetos para tratamentos de doenças em animais e plantas;
• Indústrias de análises: desenvolvimento de testes de diagnósticos clínicos. Alimentícios agrícolas e ambientais;
• Indústria da agricultura: desenvolvimento de uma gama de variedades de remédios para plantas, sementes mais resistentes a pragas e condições climáticas, pesticidas menos impactantes para a saúde humana e ambiental etc;
• Indústria alimentícia: produção, controle e melhoramento de alimentos e bebidas;
• Indústria química: produção de insumos químicos, enzimas e proteínas recombinantes;

Mercado de trabalho

A demanda por bacharéis e tecnólogos em biotecnologia só aumenta visto o desejo constante das nações em se desenvolver para enfrentar desafios como a maior produção de alimentos, as constantes epidemias, as mutações de vírus e bactérias que antes estavam controladas, a necessidade do mercado por produtos menos impactantes e mais fortes etc.

O Projeto Genoma Humano

Cientistas de diversos países fazem parte de um arrojado programa estabelecido pelo governo norte-americano e destinado a mapear os genes dos 23 pares de cromossomos que compõem o cariótipo humano.

O grande objetivo da missão é detectar e localizar os genes causadores de doenças hereditárias, a fim de que, por meio da tecnologia do DNA recombinante, tornem-se possíveis a prevenção e a erradicação dessas doenças.

O programa recebeu o nome de Projeto Genoma Humano e previa que até o início do terceiro milênio fossem mapeados de 50 mil a 100 mil genes nos nossos cromossomos. Estimou-se que, no homem, existia entre 1.000 e 2.000 genes por cromossomo. Já são conhecidas cerca de 6.000 doenças genéticas que afetam a humanidade.

Os pesquisadores se voltam para um outro desafio e complexa frente de estudos: a identificação de genes e o sequenciamento de proteínas.

A identificação de proteínas – projeto proteoma – representa papel fundamental para a compreensão do genoma. Alguns cientistas acreditam que a genética não trará todas as respostas, visto que os processos orgânicos estão na dependência de outras substâncias, como as proteínas, que exercem papel essencial em praticamente todos os processos biológicos dentro das células.

Técnica da reação em cadeia da polimerase ( PCR )

Clone significa um conjunto de indivíduos geneticamente idênticos, sejam eles gêmeos monozigóticos, mudas de roseira obtidas de pedaços de seu caule ou planárias que se obtêm partindo-se uma delas ao meio.

Em genética, estende-se o conceito para a multiplicação de genes idênticos. Quando se detecta o gene de interesse, faz-se sua clonagem, ou amplificação gênica, para produzir milhares, milhões, bilhões de genes iguais. Isso pode ser feito, cultivando, indefinidamente, um clone de bactérias, já que ao se dividir, a bactéria duplica seus genes. O mais surpreendente, todavia, é que se pode clonar diretamente o gene, fora de qualquer ser vivo, pela técnica da reação em cadeia da polimerase (polymerase chain reaction = PCR).

A dupla hélice do DNA é submetida a uma temperatura de 98oC, o que provoca a separação das duas fitas. A seguir, em presença da enzima DNA-polimerase (resistente ao calor, por ser obtida de algas que se reproduzem em fontes termais), cada fita é completada por nucleotídeos existentes no meio, formando-se assim duas moléculas completas. Em seguida, o ciclo recomeça, são produzidas 4 moléculas, e assim por diante.

Essa técnica é especialmente útil:

• Em criminologia, quando se têm amostras de DNA muito pequenas para serem analisadas.
• É também utilizada para duplicação de DNA encontrado em material fossilizado, de épocas passadas ou remotas. Verificou-se, recentemente, pela comparação do DNA do homem atual (Homo sapiens sapiens) com o DNA tirado de fósseis do Homo neanderthalensis, que as diferenças são grandes demais para que as duas formas tenham sido raças da mesma espécie.
• É a técnica de utilização mais fácil para obtenção de grandes quantidades de DNA para se usar em Engenharia Genética.

DNA recombinante

Em Engenharia Genética, a expressão DNA recombinante indica o resultado obtido a partir de pedaços de DNA de fontes diferentes, ligados entre si. Às vezes, os DNA provêm de dois organismos diferentes, como é o caso do gene para insulina humana ligado ao DNA de bactéria. Outras vezes, um pedaço de DNA de um organismo pode ser ligado a um DNA sintético, feito em laboratório pela junção de nucleotídeos na sequência desejada.

Para se conseguir o DNA recombinante, é preciso “cortar” as moléculas de DNA que se quer recombinar e em seguida “colar” suas extremidades (enzima DNA-ligase). Para isso, os pesquisadores utilizam as enzimas de restrição. Essas são enzimas obtidas de bactérias que as produzem naturalmente para se defender da invasão de alguns vírus; elas têm a propriedade de “cortar” o DNA de dupla hélice do invasor em certos pontos, específicos para cada tipo de enzima de restrição. Assim, os pesquisadores usam essas enzimas para “cortar” em laboratório os tipos de DNA que eles objetivam “colar” mais tarde.

A análise do padrão de fragmentos de DNA originados pela ação das enzimas de restrição é hoje o método mais seguro para se identificar pessoas, já sendo largamente utilizado em investigações policiais. Com exceção dos gêmeos univitelinos, não existem dois indivíduos cujo DNA seja igual. Moléculas de DNA de duas pessoas diferentes serão cortadas em pontos diferentes e darão fragmentos de diferentes tamanhos.

As impressões digitais eram consideradas a melhor assinatura biológica, mas a genética molecular desenvolveu esse modo mais sensível e preciso para distinguir uma pessoa de todas as demais, recorrendo ao estudo do DNA.

Uma técnica muito utilizada na identificação de pessoas é por meio do DNA ou DNA fingerprint (impressão digital de DNA). Cada pessoa possui um DNA distinto.

A técnica é muito utilizada na investigação criminal e em testes de paternidade.

Para realizar um exame de identificação por DNA, células são coletadas e o DNA é extraído. Tais células podem ser coletadas de gotas de sangue, da saliva, de amostras de cabelo, de pedaços de pele, etc. Após a coleta, corta-se o DNA em pontos específicos. Estes são analisados para confirmar se os marcadores do DNA de uma amostra correspondem aos de outra.  

No exemplo abaixo, a figura V representa a amostra de DNA da vítima de um crime e a figura S, a do criminoso. Analisam-se o DNA de três suspeitos. Observa-se que a amostra SP1 (suspeito 1) apresenta os mesmos marcadores que a amostra do criminoso, S, confirmando que SP1 é o criminoso que a polícia procura.

Em testes de paternidade, todas as bandas de DNA da criança precisam corresponder às do pai ou da mãe. Na figura abaixo, M representa o DNA materno, B, o da criança, e P1 e P2, os dos possíveis pais.  Observa-se que o DNA da criança é uma combinação dos marcadores M e P2. Isso significa que o pai da criança é a pessoa cujo DNA é representado por P2.

Importância das bactérias na Engenharia Genética

A célula bacteriana, além do seu cromossomo, possui pequenas moléculas de DNA circulares, os plasmídeos, não essenciais à bactéria, mas que contêm alguns genes. Os plasmídeos mantêm uma existência independente do cromossomo maior; sua duplicação, no entanto, é sincronizada com a da bactéria, garantindo assim sua transmissão para as bactérias-filhas.

É nos plasmídeos que as técnicas de Engenharia Genética incorporam os genes “estranhos” à bactéria, experimentalmente. A bactéria, agora transgênica, passa a produzir as proteínas que esses genes codificam, o plasmídeo se duplica junto com o gene enxertado e os descendentes da bactéria (clones ou colônias) conservam a capacidade de produzir tal proteína.

Organismos transgênicos 

O conhecimento sobre a estrutura do DNA (ácido desoxirribonucleico), em dupla hélice, foi esclarecida em 1953, por James Watson e Francis Crick. Esse modelo explicava satisfatoriamente algumas das propriedades especiais dessa molécula, como autoduplicação e transcrição.

O cromossomo é formado pela molécula de DNA entremeada de proteínas, de ponta a ponta. Essas proteínas são essenciais para proteger os genes – segmentos do cromossomo – e regular sua função, determinando quais genes devem ou não permanecer ativos. O DNA é a molécula responsável pela transmissão das características hereditárias.

Uma das características mais extraordinárias do código genético é que ele é praticamente universal: microrganismos (bactérias, leveduras etc.), plantas, animais e seres humanos seguem esse mesmo “dicionário”. Dessa maneira – perguntavam-se os geneticistas – que acontecerá se for introduzido o DNA de um gene humano em uma célula de bactéria? Quem sabe se o gene humano – que “fala a mesma língua” do gene da bactéria – se mistura (por recombinação) com os genes dela, utiliza seus recursos bioquímicos, é transcrito e traduzido e se expressa sob forma de proteína humana?

E não é que deu certo?! O DNA recombinante é formado pela união de dois pedaços de DNA vindos de fontes diferentes, por exemplo, uma planta e um mamífero. Um organismo que recebeu e incorporou DNA estranho é um organismo transgênico. A engenharia genética altera os indivíduos interferindo diretamente em seus genomas.

Com o passar dos anos, a apuração das técnicas desenvolvidas em biotecnologia, chegou a ponto de isolar e sintetizar um pequeno gene, que comanda o pâncreas na produção de somatostatina, um dos hormônios de crescimento. Com as técnicas de engenharia genética ou do DNA recombinante, esse gene humano foi enxertado (transplantado) em bactérias, associado a um plasmídeo, que é um segmento de DNA bacteriano. Em acontecimento inédito, foi anunciado em 1977, que o gene da somatostatina tinha se incorporado ao genoma da bactéria, a qual passou a produzir o hormônio humano. Havia sido, portanto, desenvolvida uma bactéria transgênica.

Posteriormente, de maneira mais notável ainda, o gene da insulina – hormônio que contribui para a regulação do metabolismo do açúcar – foi transplantado para bactérias. Essas bactérias transgênicas passaram a sintetizar insulina em escala comercial, atendendo as necessidades de tratamento de milhões de diabéticos.

Aplicações práticas através das técnicas de Engenharia Genética

Soja transgênica - Há certo número de espécies de ervas daninhas que competem e prejudicam as plantações de soja. O herbicida utilizado para combatê-las também causa danos à soja. Com o intuito de resolver esse problema, foi desenvolvida a soja transgênica, uma variedade de soja resistente ao herbicida por ter recebido um gene tirado de outra espécie de planta.

Insulina - A insulina foi a primeira proteína humana produzida em células de bactéria e aprovada, em 1985, para uso em pacientes.

Produção de anticorpos - Linfócitos produzem anticorpos monoclonais (puros); esses, além da utilização na cura de certas doenças, têm se revelado auxiliares preciosos nos diagnósticos médicos para testes de gravidez (em baixíssima concentração), detecção de meningite (em poucos minutos), diagnóstico de câncer de próstata (detecta antígeno específico, produzido pelas células cancerosas); “no futuro”, os anticorpos monoclonais poderão funcionar como “tiro ao alvo” contra células cancerosas, reduzindo ou eliminando a necessidade de quimioterapia.

Vacina contra hepatite B- O gene do vírus responsável pela produção desse antígeno de superfície foi isolado e em seguida enxertado em célula de leveduras de cerveja – Saccharomyces cerevisiae. A levedura transgênica, assim transformada, é cultivada em laboratório e produz grandes quantidades da proteína desejada. Essa é a primeira vacina feita por Engenharia Genética em quantidade suficiente para sua comercialização.

Identificação de pessoas – A identidade individual por meio do estudo do DNA (DNA fingerprint). Usado para esclarecer sobre a possível participação de um suspeito em um crime, identificação de responsável por estupro e para os testes de paternidade.

As técnicas de Engenharia Genética fornecem recursos para a transferência de genes de uma espécie animal para outra, com produção de organismos chamados transgênicos:

Tracy – uma ovelha transgênica, possui o gene humano para produzir a proteína alfa-1-antitripsina (AAT) e a excreta no leite. As pessoas incapazes de produzir essa proteína (1: 2000), apresentam deficiência hepática e alta suscetibilidade ao enfisema pulmonar.

Foram implantados em camundongos genes humanos responsáveis pela produção de hormônio de crescimento. “Quando aperfeiçoada”, esta técnica possibilitará o melhoramento genético de animais de importância econômica, como o gado, levando-o a produzir maiores quantidades de leite ou de carne, através do enxerto de genes específicos.

Bactérias transgênicas com genes humanos produzem o hormônio de crescimento, utilizado no tratamento de crianças com nanismo causado por defeito do gene correspondente.

Plantas inseticidas – pesquisadores isolaram um gene de uma bactéria (Bacillus thuringiensis), responsável pela produção de uma proteína tóxica para lagartas de lepidópteros (borboletas e mariposas). A partir da cultura de células, obtêm-se plantas inteiras, que contêm o gene para a produção de inseticida. Esse gene acaba conferindo proteção a essas plantas transgênicas contra determinada lagarta que costuma atacar suas folhas.

Geneterapia – teoricamente, seria possível substituir ou adicionar no indivíduo afetado uma cópia correta do alelo responsável por certas doenças genéticas.

In vitro 

A fertilização in vitro é uma técnica que ajuda casais com problemas de fertilidade a ter filhos. Para realizar a fecundação in vitro, os médicos coletam o óvulo da paciente e o fertilizam, em laboratório, com os espermatozoides do pai. O óvulo começa a se dividir e torna-se um embrião dentro de um fluido nutritivo. Em seguida, é implantado no útero da mãe. Os médicos costumam inserir vários embriões para aumentar as chances de sucesso do tratamento.