Engenharia genética -Genetic engineering

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A engenharia genética, também chamada de modificação genética ou manipulação genética, é a modificação e manipulação dos genes de um organismo usando tecnologia . É um conjunto de tecnologias usadas para alterar a composição genética das células, incluindo a transferência de genes dentro e através das fronteiras das espécies para produzir organismos melhorados ou novos . O novo DNA é obtido isolando e copiando o material genético de interesse usando métodos de DNA recombinante ou sintetizando artificialmente o DNA. Uma construção geralmente é criada e usada para inserir esse DNA no organismo hospedeiro. A primeira molécula de DNA recombinante foi feita por Paul Berg em 1972, combinando DNA do vírus do macaco SV40 com o vírus lambda . Além de inserir genes, o processo pode ser usado para remover, ou " nocautear ", genes. O novo DNA pode ser inserido aleatoriamente ou direcionado a uma parte específica do genoma .

Um organismo que é gerado por meio de engenharia genética é considerado geneticamente modificado (GM) e a entidade resultante é um organismo geneticamente modificado (OGM). O primeiro OGM foi uma bactéria gerada por Herbert Boyer e Stanley Cohen em 1973. Rudolf Jaenisch criou o primeiro animal GM quando inseriu DNA estranho em um camundongo em 1974. A primeira empresa focada em engenharia genética, a Genentech, foi fundada em 1976 e iniciou a produção de proteínas humanas. A insulina humana geneticamente modificada foi produzida em 1978 e as bactérias produtoras de insulina foram comercializadas em 1982. Alimentos geneticamente modificados são vendidos desde 1994, com o lançamento do tomate Flavr Savr . O Flavr Savr foi projetado para ter uma vida útil mais longa, mas a maioria das culturas GM atuais são modificadas para aumentar a resistência a insetos e herbicidas. GloFish, o primeiro OGM projetado como animal de estimação, foi vendido nos Estados Unidos em dezembro de 2003. Em 2016 , o salmão modificado com hormônio do crescimento foi vendido.

A engenharia genética tem sido aplicada em vários campos, incluindo pesquisa, medicina, biotecnologia industrial e agricultura. Na pesquisa, os OGMs são usados ​​para estudar a função e a expressão dos genes através da perda de função, ganho de função, rastreamento e experimentos de expressão. Ao eliminar genes responsáveis ​​por certas condições, é possível criar organismos modelo animal de doenças humanas. Além de produzir hormônios, vacinas e outros medicamentos, a engenharia genética tem o potencial de curar doenças genéticas por meio da terapia gênica . As mesmas técnicas que são usadas para produzir medicamentos também podem ter aplicações industriais, como a produção de enzimas para detergentes, queijos e outros produtos.

O surgimento de culturas geneticamente modificadas comercializadas proporcionou benefícios econômicos para agricultores em muitos países diferentes, mas também tem sido a fonte da maior parte da controvérsia em torno da tecnologia. Isso está presente desde seu uso inicial; os primeiros testes de campo foram destruídos por ativistas anti-GM. Embora haja um consenso científico de que os alimentos atualmente disponíveis derivados de culturas GM não representam maior risco para a saúde humana do que os alimentos convencionais, a segurança dos alimentos GM é uma das principais preocupações dos críticos. O fluxo gênico, o impacto em organismos não-alvo, o controle do suprimento de alimentos e os direitos de propriedade intelectual também foram levantados como problemas potenciais. Essas preocupações levaram ao desenvolvimento de uma estrutura regulatória, que começou em 1975. Isso levou a um tratado internacional, o Protocolo de Cartagena sobre Biossegurança, que foi adotado em 2000. Cada país desenvolveu seus próprios sistemas regulatórios sobre OGMs, com a diferenças mais marcantes que ocorrem entre os EUA e a Europa.

Definição IUPAC

Engenharia genética : Processo de inserção de novas informações genéticas em células existentes para modificar um organismo específico com o objetivo de alterar suas características.

Nota : Adaptado da ref.

Visão geral

Comparação do melhoramento convencional de plantas com modificação genética transgênica e cisgênica

A engenharia genética é um processo que altera a estrutura genética de um organismo removendo ou introduzindo DNA, ou modificando o material genético existente in situ. Ao contrário do melhoramento tradicional de animais e plantas, que envolve fazer vários cruzamentos e depois selecionar o organismo com o fenótipo desejado, a engenharia genética pega o gene diretamente de um organismo e o entrega ao outro. Isso é muito mais rápido, pode ser usado para inserir qualquer gene de qualquer organismo (mesmo de domínios diferentes ) e evita que outros genes indesejáveis ​​também sejam adicionados.

A engenharia genética poderia corrigir distúrbios genéticos graves em humanos, substituindo o gene defeituoso por um funcional. É uma importante ferramenta de pesquisa que permite estudar a função de genes específicos. Medicamentos, vacinas e outros produtos foram colhidos de organismos projetados para produzi-los. Foram desenvolvidas culturas que auxiliam na segurança alimentar, aumentando o rendimento, o valor nutricional e a tolerância a estresses ambientais.

O DNA pode ser introduzido diretamente no organismo hospedeiro ou em uma célula que é então fundida ou hibridizada com o hospedeiro. Isso se baseia em técnicas de ácido nucleico recombinante para formar novas combinações de material genético hereditário seguido pela incorporação desse material indiretamente por meio de um sistema de vetor ou diretamente por meio de microinjeção, macroinjeção ou microencapsulação .

A engenharia genética normalmente não inclui técnicas de reprodução tradicional, fertilização in vitro, indução de poliploidia, mutagênese e fusão celular que não usam ácidos nucleicos recombinantes ou um organismo geneticamente modificado no processo. No entanto, algumas definições amplas de engenharia genética incluem reprodução seletiva . A clonagem e a pesquisa com células-tronco, embora não sejam consideradas engenharia genética, estão intimamente relacionadas e a engenharia genética pode ser usada dentro delas. A biologia sintética é uma disciplina emergente que leva a engenharia genética um passo adiante, introduzindo material sintetizado artificialmente em um organismo.

Plantas, animais ou microorganismos que foram alterados por meio de engenharia genética são denominados organismos geneticamente modificados ou OGMs. Se material genético de outra espécie é adicionado ao hospedeiro, o organismo resultante é chamado de transgênico . Se for utilizado material genético da mesma espécie ou de uma espécie que possa se reproduzir naturalmente com o hospedeiro, o organismo resultante é chamado de cisgênico . Se a engenharia genética for usada para remover material genético do organismo alvo, o organismo resultante é denominado organismo nocaute . Na Europa, a modificação genética é sinônimo de engenharia genética, enquanto nos Estados Unidos da América e no Canadá, a modificação genética também pode ser usada para se referir a métodos de reprodução mais convencionais.

História

Os seres humanos alteraram os genomas das espécies por milhares de anos através da reprodução seletiva, ou seleção artificial em contraste com a seleção natural . Mais recentemente, a reprodução de mutações tem usado a exposição a produtos químicos ou radiação para produzir uma alta frequência de mutações aleatórias, para fins de reprodução seletiva. A engenharia genética como a manipulação direta do DNA por humanos fora da reprodução e das mutações só existe desde a década de 1970. O termo "engenharia genética" foi cunhado pela primeira vez por Jack Williamson em seu romance de ficção científica Dragon's Island, publicado em 1951 - um ano antes do papel do DNA na hereditariedade ser confirmado por Alfred Hershey e Martha Chase, e dois anos antes de James Watson e Francis Crick mostrarem que a molécula de DNA tem uma estrutura de dupla hélice – embora o conceito geral de manipulação genética direta tenha sido explorado de forma rudimentar na história de ficção científica de Stanley G. Weinbaum em 1936, Proteus Island .

Em 1974 Rudolf Jaenisch criou um camundongo geneticamente modificado, o primeiro animal geneticamente modificado.

Em 1972, Paul Berg criou as primeiras moléculas de DNA recombinante combinando o DNA do vírus do macaco SV40 com o do vírus lambda . Em 1973, Herbert Boyer e Stanley Cohen criaram o primeiro organismo transgênico inserindo genes de resistência a antibióticos no plasmídeo de uma bactéria Escherichia coli . Um ano depois, Rudolf Jaenisch criou um camundongo transgênico introduzindo DNA estranho em seu embrião, tornando-o o primeiro animal transgênico do mundo . em 1975. Uma das principais recomendações desta reunião foi que a supervisão governamental da pesquisa de DNA recombinante deveria ser estabelecida até que a tecnologia fosse considerada segura.

Em 1976 a Genentech, a primeira empresa de engenharia genética, foi fundada por Herbert Boyer e Robert Swanson e um ano depois a empresa produziu uma proteína humana ( somatostatina ) em E. coli . A Genentech anunciou a produção de insulina humana geneticamente modificada em 1978. Em 1980, a Suprema Corte dos EUA no caso Diamond v. Chakrabarty decidiu que a vida geneticamente alterada poderia ser patenteada. A insulina produzida por bactérias foi aprovada para liberação pela Food and Drug Administration (FDA) em 1982.

Em 1983, uma empresa de biotecnologia, Advanced Genetic Sciences (AGS) solicitou autorização do governo dos EUA para realizar testes de campo com a cepa ice-minus de Pseudomonas syringae para proteger as plantações da geada, mas grupos ambientalistas e manifestantes atrasaram os testes de campo por quatro anos com desafios legais. Em 1987, a cepa de P. syringae sem gelo se tornou o primeiro organismo geneticamente modificado (OGM) a ser liberado no meio ambiente quando um campo de morango e um campo de batata na Califórnia foram pulverizados com ele. Ambos os campos de teste foram atacados por grupos ativistas na noite anterior aos testes: "O primeiro local de teste do mundo atraiu o primeiro lixo de campo do mundo".

Os primeiros testes de campo de plantas geneticamente modificadas ocorreram na França e nos EUA em 1986, as plantas de tabaco foram projetadas para serem resistentes a herbicidas . A República Popular da China foi o primeiro país a comercializar plantas transgênicas, introduzindo um tabaco resistente a vírus em 1992. Em 1994, a Calgene obteve aprovação para liberar comercialmente o primeiro alimento geneticamente modificado, o Flavr Savr, um tomate projetado para ter uma vida útil mais longa . Em 1994, a União Européia aprovou o tabaco modificado para ser resistente ao herbicida bromoxynil, tornando-o a primeira cultura geneticamente modificada comercializada na Europa. Em 1995, a batata Bt foi aprovada como segura pela Agência de Proteção Ambiental, após ter sido aprovada pelo FDA, tornando-se a primeira cultura produtora de pesticidas a ser aprovada nos EUA. Em 2009, 11 culturas transgênicas foram cultivadas comercialmente em 25 países, sendo os maiores em área cultivada EUA, Brasil, Argentina, Índia, Canadá, China, Paraguai e África do Sul.

Em 2010, cientistas do Instituto J. Craig Venter criaram o primeiro genoma sintético e o inseriram em uma célula bacteriana vazia. A bactéria resultante, chamada Mycoplasma laboratorium, pode se replicar e produzir proteínas. Quatro anos depois, isso foi um passo adiante quando foi desenvolvida uma bactéria que replicou um plasmídeo contendo um par de bases único, criando o primeiro organismo projetado para usar um alfabeto genético expandido. Em 2012, Jennifer Doudna e Emmanuelle Charpentier colaboraram para desenvolver o sistema CRISPR/Cas9, uma técnica que pode ser usada para alterar facilmente e especificamente o genoma de quase qualquer organismo.

Processo

A reação em cadeia da polimerase é uma ferramenta poderosa usada na clonagem molecular

A criação de um OGM é um processo de várias etapas. Os engenheiros genéticos devem primeiro escolher o gene que desejam inserir no organismo. Isso é impulsionado por qual é o objetivo para o organismo resultante e é construído em pesquisas anteriores. Triagens genéticas podem ser realizadas para determinar genes potenciais e outros testes usados ​​para identificar os melhores candidatos. O desenvolvimento de microarrays, transcriptômica e sequenciamento do genoma tornou muito mais fácil encontrar genes adequados. A sorte também desempenha seu papel; o gene Roundup Ready foi descoberto depois que os cientistas notaram uma bactéria prosperando na presença do herbicida.

Isolamento e clonagem de genes

O próximo passo é isolar o gene candidato. A célula contendo o gene é aberta e o DNA é purificado. O gene é separado usando enzimas de restrição para cortar o DNA em fragmentos ou reação em cadeia da polimerase (PCR) para amplificar o segmento do gene. Esses segmentos podem então ser extraídos por eletroforese em gel . Se o gene escolhido ou o genoma do organismo doador foi bem estudado, pode já estar acessível a partir de uma biblioteca genética . Se a sequência de DNA é conhecida, mas não há cópias do gene disponíveis, ela também pode ser sintetizada artificialmente . Uma vez isolado o gene é ligado a um plasmídeo que é então inserido em uma bactéria. O plasmídeo é replicado quando as bactérias se dividem, garantindo que cópias ilimitadas do gene estejam disponíveis. O plasmídeo RK2 é notável por sua capacidade de se replicar em uma ampla variedade de organismos unicelulares, o que o torna adequado como ferramenta de engenharia genética.

Antes que o gene seja inserido no organismo alvo, ele deve ser combinado com outros elementos genéticos. Estes incluem uma região promotora e terminadora, que iniciam e terminam a transcrição . Um gene marcador selecionável é adicionado, o que na maioria dos casos confere resistência a antibióticos, para que os pesquisadores possam determinar facilmente quais células foram transformadas com sucesso. O gene também pode ser modificado nesta fase para melhor expressão ou eficácia. Essas manipulações são realizadas usando técnicas de DNA recombinante, como digestão de restrição, ligações e clonagem molecular.

Inserção de DNA no genoma do hospedeiro

Uma arma genética usa biolística para inserir DNA em tecido vegetal

Existem várias técnicas usadas para inserir material genético no genoma do hospedeiro. Algumas bactérias podem naturalmente absorver DNA estranho . Essa capacidade pode ser induzida em outras bactérias via estresse (por exemplo, choque térmico ou elétrico), que aumenta a permeabilidade da membrana celular ao DNA; O DNA captado pode integrar-se ao genoma ou existir como DNA extracromossômico . O DNA é geralmente inserido em células animais por microinjeção, onde pode ser injetado através do envelope nuclear da célula diretamente no núcleo, ou através do uso de vetores virais .

Os genomas de plantas podem ser manipulados por métodos físicos ou pelo uso de Agrobacterium para a entrega de sequências hospedadas em vetores binários de T-DNA . Em plantas, o DNA é frequentemente inserido usando transformação mediada por Agrobacterium, aproveitando a sequência de T-DNA de Agrobacterium que permite a inserção natural de material genético nas células vegetais. Outros métodos incluem a biolística, onde partículas de ouro ou tungstênio são revestidas com DNA e depois injetadas em células de plantas jovens, e eletroporação, que envolve o uso de um choque elétrico para tornar a membrana celular permeável ao DNA plasmidial.

Como apenas uma única célula é transformada com material genético, o organismo deve ser regenerado a partir dessa única célula. Nas plantas isso é feito através do uso de cultura de tecidos . Em animais é necessário garantir que o DNA inserido esteja presente nas células-tronco embrionárias . As bactérias consistem em uma única célula e se reproduzem clonalmente, de modo que a regeneração não é necessária. Marcadores selecionáveis ​​são usados ​​para diferenciar facilmente células transformadas de não transformadas. Esses marcadores geralmente estão presentes no organismo transgênico, embora tenham sido desenvolvidas várias estratégias que podem remover o marcador selecionável da planta transgênica madura.

A. tumefaciens se ligando a uma célula de cenoura

Testes adicionais usando PCR, hibridização Southern e sequenciamento de DNA são realizados para confirmar que um organismo contém o novo gene. Esses testes também podem confirmar a localização cromossômica e o número de cópias do gene inserido. A presença do gene não garante que ele será expresso em níveis adequados no tecido-alvo, portanto, métodos que buscam e medem os produtos do gene (RNA e proteína) também são usados. Estes incluem hibridização Northern, RT-PCR quantitativo, Western blot, imunofluorescência, ELISA e análise fenotípica.

O novo material genético pode ser inserido aleatoriamente no genoma do hospedeiro ou direcionado para um local específico. A técnica de direcionamento de genes usa recombinação homóloga para fazer as alterações desejadas em um gene endógeno específico . Isso tende a ocorrer em uma freqüência relativamente baixa em plantas e animais e geralmente requer o uso de marcadores selecionáveis . A frequência do direcionamento do gene pode ser bastante aumentada através da edição do genoma . A edição do genoma usa nucleases projetadas artificialmente que criam quebras de fita dupla específicas em locais desejados no genoma e usam os mecanismos endógenos da célula para reparar a quebra induzida pelos processos naturais de recombinação homóloga e junção final não homóloga . Existem quatro famílias de nucleases projetadas: meganucleases, nucleases de dedo de zinco, nucleases efetoras semelhantes a ativador de transcrição (TALENs) e o sistema Cas9-guideRNA (adaptado de CRISPR ). TALEN e CRISPR são os dois mais usados ​​e cada um tem suas próprias vantagens. TALENs têm maior especificidade de destino, enquanto CRISPR é mais fácil de projetar e mais eficiente. Além de melhorar o direcionamento de genes, as nucleases manipuladas podem ser usadas para introduzir mutações em genes endógenos que geram um nocaute de gene .

Formulários

A engenharia genética tem aplicações na medicina, pesquisa, indústria e agricultura e pode ser usada em uma ampla variedade de plantas, animais e microrganismos. Bactérias, os primeiros organismos a serem geneticamente modificados, podem ter DNA plasmidial inserido contendo novos genes que codificam medicamentos ou enzimas que processam alimentos e outros substratos . As plantas foram modificadas para proteção contra insetos, resistência a herbicidas, resistência a vírus, nutrição aprimorada, tolerância a pressões ambientais e produção de vacinas comestíveis . A maioria dos OGMs comercializados são plantas cultivadas resistentes a insetos ou tolerantes a herbicidas. Animais geneticamente modificados têm sido usados ​​para pesquisa, animais modelo e produção de produtos agrícolas ou farmacêuticos. Os animais geneticamente modificados incluem animais com genes nocauteados, maior suscetibilidade a doenças, hormônios para crescimento extra e capacidade de expressar proteínas em seu leite.

Medicamento

A engenharia genética tem muitas aplicações na medicina que incluem a fabricação de medicamentos, a criação de animais modelo que imitam as condições humanas e a terapia genética . Um dos primeiros usos da engenharia genética foi a produção em massa de insulina humana em bactérias. Esta aplicação já foi aplicada a hormônios de crescimento humanos, hormônios folículo estimulantes (para tratamento de infertilidade), albumina humana, anticorpos monoclonais, fatores anti-hemofílicos, vacinas e muitas outras drogas. Os hibridomas de camundongo, células fundidas para criar anticorpos monoclonais, foram adaptados por meio de engenharia genética para criar anticorpos monoclonais humanos. Vírus geneticamente modificados estão sendo desenvolvidos que ainda podem conferir imunidade, mas não possuem as sequências infecciosas .

A engenharia genética também é usada para criar modelos animais de doenças humanas. Camundongos geneticamente modificados são o modelo animal geneticamente modificado mais comum. Eles têm sido usados ​​para estudar e modelar câncer (o oncomouse ), obesidade, doenças cardíacas, diabetes, artrite, abuso de substâncias, ansiedade, envelhecimento e doença de Parkinson. Curas potenciais podem ser testadas contra esses modelos de camundongos.

A terapia gênica é a engenharia genética de humanos, geralmente substituindo genes defeituosos por genes eficazes. A pesquisa clínica usando terapia genética somática tem sido realizada com várias doenças, incluindo SCID ligada ao X, leucemia linfocítica crônica (LLC) e doença de Parkinson . Em 2012, o Alipogene tiparvovec tornou-se o primeiro tratamento de terapia genética a ser aprovado para uso clínico. Em 2015, um vírus foi usado para inserir um gene saudável nas células da pele de um menino que sofre de uma doença de pele rara, epidermólise bolhosa, para crescer e, em seguida, enxertar pele saudável em 80% do corpo do menino que foi afetado pelo vírus. doença.

A terapia genética de linha germinativa resultaria em qualquer mudança sendo hereditária, o que levantou preocupações na comunidade científica. Em 2015, o CRISPR foi usado para editar o DNA de embriões humanos não viáveis, levando cientistas das principais academias mundiais a pedir uma moratória nas edições hereditárias do genoma humano. Há também preocupações de que a tecnologia possa ser usada não apenas para tratamento, mas para aprimoramento, modificação ou alteração da aparência, adaptabilidade, inteligência, caráter ou comportamento de um ser humano. A distinção entre cura e aprimoramento também pode ser difícil de estabelecer. Em novembro de 2018, He Jiankui anunciou que havia editado os genomas de dois embriões humanos, para tentar desativar o gene CCR5, que codifica um receptor que o HIV usa para entrar nas células. O trabalho foi amplamente condenado como antiético, perigoso e prematuro. Atualmente, a modificação da linha germinativa é proibida em 40 países. Os cientistas que fazem esse tipo de pesquisa geralmente deixam os embriões crescerem por alguns dias sem permitir que eles se transformem em bebês.

Pesquisadores estão alterando o genoma de suínos para induzir o crescimento de órgãos humanos, com o objetivo de aumentar o sucesso do transplante de órgãos suínos para humanos . Os cientistas estão criando "unidades genéticas", alterando os genomas dos mosquitos para torná-los imunes à malária e, em seguida, procurando espalhar os mosquitos geneticamente modificados por toda a população de mosquitos na esperança de eliminar a doença.

Pesquisar

Células humanas nas quais algumas proteínas são fundidas com proteína verde fluorescente para permitir que sejam visualizadas

A engenharia genética é uma ferramenta importante para os cientistas naturais, sendo a criação de organismos transgênicos uma das ferramentas mais importantes para análise da função gênica. Genes e outras informações genéticas de uma ampla gama de organismos podem ser inseridos em bactérias para armazenamento e modificação, criando bactérias geneticamente modificadas no processo. As bactérias são baratas, fáceis de cultivar, clonais, multiplicam-se rapidamente, relativamente fáceis de transformar e podem ser armazenadas a -80 °C quase indefinidamente. Uma vez que um gene é isolado, ele pode ser armazenado dentro da bactéria, fornecendo um suprimento ilimitado para pesquisa.

Os organismos são geneticamente modificados para descobrir as funções de certos genes. Este pode ser o efeito no fenótipo do organismo, onde o gene é expresso ou com quais outros genes ele interage. Esses experimentos geralmente envolvem perda de função, ganho de função, rastreamento e expressão.

  • Experimentos de perda de função, como em um experimento de nocaute de genes, no qual um organismo é projetado para não ter a atividade de um ou mais genes. Em um simples nocaute, uma cópia do gene desejado foi alterada para torná-lo não funcional. As células-tronco embrionárias incorporam o gene alterado, que substitui a cópia funcional já presente. Essas células-tronco são injetadas em blastocistos, que são implantados em mães de aluguel. Isso permite que o experimentador analise os defeitos causados ​​por essa mutação e, assim, determine o papel de genes específicos. É usado especialmente freqüentemente na biologia do desenvolvimento . Quando isso é feito criando uma biblioteca de genes com mutações pontuais em todas as posições na área de interesse, ou mesmo em todas as posições do gene inteiro, isso é chamado de "mutagênese de varredura". O método mais simples, e o primeiro a ser usado, é a "varredura de alanina", onde cada posição, por sua vez, é mutada para o aminoácido não reativo alanina .
  • Experiências de ganho de função, a contrapartida lógica dos nocautes. Às vezes, eles são realizados em conjunto com experimentos knockout para estabelecer com mais precisão a função do gene desejado. O processo é muito parecido com o da engenharia knockout, exceto que a construção é projetada para aumentar a função do gene, geralmente fornecendo cópias extras do gene ou induzindo a síntese da proteína com mais frequência. O ganho de função é usado para dizer se uma proteína é ou não suficiente para uma função, mas nem sempre significa que é necessária, especialmente quando se trata de redundância genética ou funcional.
  • Experimentos de rastreamento, que buscam obter informações sobre a localização e interação da proteína desejada. Uma maneira de fazer isso é substituir o gene do tipo selvagem por um gene de 'fusão', que é uma justaposição do gene do tipo selvagem com um elemento de relatório, como a proteína fluorescente verde (GFP), que permitirá fácil visualização dos produtos da modificação genética. Embora esta seja uma técnica útil, a manipulação pode destruir a função do gene, criando efeitos secundários e possivelmente questionando os resultados do experimento. Técnicas mais sofisticadas estão agora em desenvolvimento que podem rastrear produtos proteicos sem mitigar sua função, como a adição de pequenas sequências que servirão como motivos de ligação a anticorpos monoclonais.
  • Os estudos de expressão visam descobrir onde e quando proteínas específicas são produzidas. Nesses experimentos, a sequência de DNA antes do DNA que codifica uma proteína, conhecida como promotora de um gene, é reintroduzida em um organismo com a região codificadora da proteína substituída por um gene repórter como GFP ou uma enzima que catalisa a produção de um corante . Assim, o tempo e o local onde uma determinada proteína é produzida podem ser observados. Os estudos de expressão podem ser levados um passo adiante alterando o promotor para descobrir quais partes são cruciais para a expressão adequada do gene e estão realmente ligadas por proteínas do fator de transcrição; este processo é conhecido como promotor bashing .

Industrial

Produtos da engenharia genética

Os organismos podem ter suas células transformadas com um gene que codifica uma proteína útil, como uma enzima, de modo que superexpressem a proteína desejada. Quantidades em massa da proteína podem então ser fabricadas cultivando o organismo transformado em equipamento de biorreator usando fermentação industrial e, em seguida, purificando a proteína. Alguns genes não funcionam bem em bactérias, então leveduras, células de insetos ou células de mamíferos também podem ser usadas. Essas técnicas são utilizadas para produzir medicamentos como insulina, hormônio de crescimento humano, e vacinas, suplementos como triptofano, auxílio na produção de alimentos ( quimosina na fabricação de queijos) e combustíveis. Outras aplicações com bactérias geneticamente modificadas podem envolver fazê-las realizar tarefas fora de seu ciclo natural, como fazer biocombustíveis, limpar derramamentos de óleo, carbono e outros resíduos tóxicos e detectar arsênico na água potável. Certos micróbios geneticamente modificados também podem ser usados ​​em biomineração e biorremediação, devido à sua capacidade de extrair metais pesados ​​de seu ambiente e incorporá-los em compostos que são mais facilmente recuperáveis.

Na ciência dos materiais, um vírus geneticamente modificado foi usado em um laboratório de pesquisa como um andaime para montar uma bateria de íons de lítio mais ecológica . As bactérias também foram projetadas para funcionar como sensores, expressando uma proteína fluorescente sob certas condições ambientais.

Agricultura

As toxinas Bt presentes nas folhas de amendoim (imagem inferior) protegem-no de danos extensos causados ​​por larvas da broca do pé de milho (imagem superior).

Uma das aplicações mais conhecidas e controversas da engenharia genética é a criação e uso de culturas geneticamente modificadas ou gado geneticamente modificado para produzir alimentos geneticamente modificados . As culturas foram desenvolvidas para aumentar a produção, aumentar a tolerância a estresses abióticos, alterar a composição dos alimentos ou produzir novos produtos.

As primeiras culturas a serem lançadas comercialmente em larga escala proporcionaram proteção contra pragas de insetos ou tolerância a herbicidas . Culturas resistentes a fungos e vírus também foram desenvolvidas ou estão em desenvolvimento. Isso facilita o manejo de insetos e ervas daninhas nas culturas e pode aumentar indiretamente o rendimento das culturas. As culturas GM que melhoram diretamente o rendimento acelerando o crescimento ou tornando a planta mais resistente (melhorando a tolerância ao sal, ao frio ou à seca) também estão em desenvolvimento. Em 2016, o salmão foi geneticamente modificado com hormônios de crescimento para atingir o tamanho adulto normal muito mais rápido.

Foram desenvolvidos OGMs que modificam a qualidade dos produtos, aumentando o valor nutricional ou fornecendo qualidades ou quantidades mais úteis industrialmente. A batata Amflora produz uma mistura de amidos mais útil industrialmente. A soja e a canola foram geneticamente modificadas para produzir óleos mais saudáveis. O primeiro alimento transgênico comercializado foi um tomate que atrasou o amadurecimento, aumentando sua vida útil .

Plantas e animais foram projetados para produzir materiais que normalmente não fazem. A pharming usa culturas e animais como biorreatores para produzir vacinas, intermediários de medicamentos ou os próprios medicamentos; o produto útil é purificado a partir da colheita e depois usado no processo de produção farmacêutica padrão. Vacas e cabras foram projetadas para expressar drogas e outras proteínas em seu leite e, em 2009, a FDA aprovou uma droga produzida com leite de cabra.

Outras aplicações

A engenharia genética tem aplicações potenciais na conservação e gestão de áreas naturais. A transferência de genes através de vetores virais tem sido proposta como meio de controlar espécies invasoras, bem como vacinar fauna ameaçada de doenças. Árvores transgênicas têm sido sugeridas como uma forma de conferir resistência a patógenos em populações selvagens. Com os riscos crescentes de má adaptação em organismos como resultado de mudanças climáticas e outras perturbações, a adaptação facilitada por meio de ajustes de genes pode ser uma solução para reduzir os riscos de extinção. As aplicações da engenharia genética na conservação são, até agora, principalmente teóricas e ainda precisam ser colocadas em prática.

A engenharia genética também está sendo usada para criar arte microbiana . Algumas bactérias foram geneticamente modificadas para criar fotografias em preto e branco. Itens de novidade, como cravos cor de lavanda, rosas azuis e peixes brilhantes também foram produzidos por meio de engenharia genética.

Regulamento

A regulamentação da engenharia genética diz respeito às abordagens adotadas pelos governos para avaliar e gerenciar os riscos associados ao desenvolvimento e liberação de OGMs. O desenvolvimento de um marco regulatório começou em 1975, em Asilomar, Califórnia. A reunião de Asilomar recomendou um conjunto de diretrizes voluntárias sobre o uso da tecnologia recombinante. À medida que a tecnologia melhorou, os EUA estabeleceram um comitê no Escritório de Ciência e Tecnologia, que atribuiu a aprovação regulatória de alimentos GM ao USDA, FDA e EPA. O Protocolo de Cartagena sobre Biossegurança, um tratado internacional que rege a transferência, manuseio e uso de OGMs, foi adotado em 29 de janeiro de 2000. Cento e cinquenta e sete países são membros do Protocolo e muitos o utilizam como ponto de referência para suas próprios regulamentos.

O status legal e regulatório dos alimentos transgênicos varia de país para país, com algumas nações proibindo-os ou restringindo-os, e outros permitindo-os com graus de regulação muito diferentes. Alguns países permitem a importação de alimentos GM com autorização, mas ou não permitem o seu cultivo (Rússia, Noruega, Israel) ou têm disposições para o cultivo mesmo que ainda não sejam produzidos produtos GM (Japão, Coreia do Sul). A maioria dos países que não permitem o cultivo de OGM permite a pesquisa. Algumas das diferenças mais marcantes ocorrem entre os EUA e a Europa. A política dos EUA se concentra no produto (não no processo), analisa apenas os riscos científicos verificáveis ​​e usa o conceito de equivalência substancial . A União Européia, por outro lado, tem possivelmente as regulamentações de OGMs mais rigorosas do mundo. Todos os OGMs, juntamente com os alimentos irradiados, são considerados "novos alimentos" e estão sujeitos a uma avaliação extensiva, caso a caso, baseada na ciência da Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos . Os critérios de autorização dividem-se em quatro grandes categorias: "segurança", "liberdade de escolha", "rotulagem" e "rastreabilidade". O nível de regulamentação em outros países que cultivam OGMs situa-se entre a Europa e os Estados Unidos.

Agências reguladoras por região geográfica
Região Reguladores Notas
NÓS USDA, FDA e EPA
Europa Autoridade Europeia de Segurança Alimentar
Canadá Health Canada e Agência Canadense de Inspeção de Alimentos Produtos regulamentados com novos recursos, independentemente do método de origem
África Mercado Comum para a África Oriental e Austral A decisão final cabe a cada país individualmente.
China Escritório de Administração de Biossegurança em Engenharia Genética Agrícola
Índia Comitê Institucional de Biossegurança, Comitê de Revisão de Manipulação Genética e Comitê de Aprovação de Engenharia Genética
Argentina Comitê Consultivo Nacional de Biotecnologia Agrícola (impacto ambiental), Serviço Nacional de Saúde e Qualidade Agroalimentar (segurança alimentar) e Direção Nacional de Agronegócios (efeito no comércio) Decisão final da Secretaria de Agricultura, Pecuária, Pesca e Alimentação.
Brasil Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (segurança ambiental e alimentar) e o Conselho de Ministros (questões comerciais e económicas)
Austrália Office of the Gene Technology Regulator (supervisiona todos os produtos GM), Therapeutic Goods Administration (medicamentos GM) e Food Standards Australia New Zealand (alimentos GM). Os governos estaduais individuais podem então avaliar o impacto da liberação nos mercados e no comércio e aplicar mais legislação para controlar os produtos geneticamente modificados aprovados.

Uma das principais questões relativas aos reguladores é se os produtos GM devem ser rotulados. A Comissão Europeia diz que a rotulagem obrigatória e a rastreabilidade são necessárias para permitir uma escolha informada, evitar potenciais propagandas falsas e facilitar a retirada de produtos se forem descobertos efeitos adversos à saúde ou ao meio ambiente. A Associação Médica Americana e a Associação Americana para o Avanço da Ciência dizem que a ausência de evidência científica de danos, mesmo a rotulagem voluntária, é enganosa e alarmará falsamente os consumidores. A rotulagem de produtos OGM no mercado é exigida em 64 países. A rotulagem pode ser obrigatória até um nível limite de conteúdo GM (que varia entre os países) ou voluntária. No Canadá e nos EUA, a rotulagem de alimentos GM é voluntária, enquanto na Europa todos os alimentos (incluindo alimentos processados ) ou rações que contenham mais de 0,9% de OGMs aprovados devem ser rotulados.

Controvérsia

Os críticos se opuseram ao uso da engenharia genética por vários motivos, incluindo preocupações éticas, ecológicas e econômicas. Muitas dessas preocupações envolvem cultivos GM e se os alimentos produzidos a partir deles são seguros e qual o impacto que o cultivo deles terá no meio ambiente. Essas controvérsias levaram a litígios, disputas comerciais internacionais e protestos, e à regulamentação restritiva de produtos comerciais em alguns países.

Acusações de que os cientistas estão " brincando de Deus " e outras questões religiosas foram atribuídas à tecnologia desde o início. Outras questões éticas levantadas incluem o patenteamento da vida, o uso de direitos de propriedade intelectual, o nível de rotulagem dos produtos, o controle da oferta de alimentos e a objetividade do processo regulatório. Embora dúvidas tenham sido levantadas, economicamente a maioria dos estudos descobriu que o cultivo de culturas GM é benéfico para os agricultores.

O fluxo gênico entre culturas GM e plantas compatíveis, juntamente com o aumento do uso de herbicidas seletivos, pode aumentar o risco de desenvolvimento de “ super ervas daninhas ”. Outras preocupações ambientais envolvem impactos potenciais em organismos não-alvo, incluindo micróbios do solo, e um aumento de pragas de insetos secundários e resistentes. Muitos dos impactos ambientais relativos às culturas GM podem levar muitos anos para serem compreendidos e também são evidentes nas práticas agrícolas convencionais. Com a comercialização de peixes geneticamente modificados, há preocupações sobre quais serão as consequências ambientais se eles escaparem.

Existem três preocupações principais sobre a segurança dos alimentos geneticamente modificados: se eles podem provocar uma reação alérgica ; se os genes poderiam ser transferidos do alimento para as células humanas; e se os genes não aprovados para consumo humano poderiam ser cruzados com outras culturas. Existe um consenso científico de que os alimentos atualmente disponíveis derivados de culturas GM não representam maior risco para a saúde humana do que os alimentos convencionais, mas que cada alimento GM precisa ser testado caso a caso antes da introdução. No entanto, os membros do público são menos propensos do que os cientistas a perceber os alimentos GM como seguros.

Na cultura popular

A engenharia genética aparece em muitas histórias de ficção científica . O romance de Frank Herbert, The White Plague, descreve o uso deliberado da engenharia genética para criar um patógeno que mata especificamente as mulheres. Outra das criações de Herbert, a série de romances Duna, usa engenharia genética para criar o poderoso Tleilaxu . Poucos filmes informaram o público sobre engenharia genética, com exceção de The Boys from Brazil, de 1978, e Jurassic Park, de 1993, ambos com aula, demonstração e clipe de filme científico. Os métodos de engenharia genética são fracamente representados no filme; Michael Clark, escrevendo para o Wellcome Trust, chama a representação da engenharia genética e da biotecnologia de "seriamente distorcida" em filmes como The 6th Day . Na visão de Clark, a biotecnologia é tipicamente "dada formas fantásticas, mas visualmente atraentes", enquanto a ciência é relegada a segundo plano ou ficcionalizada para atender um público jovem.

No videogame de 2007, BioShock, a engenharia genética desempenha um papel importante no enredo central e no universo. O jogo se passa na fictícia distopia subaquática Rapture, na qual seus habitantes possuem habilidades genéticas sobre-humanas após se injetarem com “plasmids”, um soro que concede tais poderes. Também na cidade de Rapture estão “Little Sisters”, garotinhas que são genericamente projetadas, bem como uma trama paralela na qual uma cantora de cabaré vende seu feto para cientistas genéticos que implantam memórias falsas no recém-nascido e o manipulam geneticamente para crescer. em um adulto.

Veja também

Referências

Leitura adicional

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