Engenharia Genética é o termo usado para descrever algumas técnicas modernas em biologia molecular que vêm revolucionado o antigo processo da biotecnologia.
Biotecnologia envolve manipulação do processo biológico natural de microorganismos, plantas e animais. O homem tem se utilizado da biotecnologia há centenas de anos: feitio de pão, cerveja e queijo por exemplo. Entretanto, as modernas técnicas da biologia molecular, em particular a engenharia genética, têm apresentado novas possibilidades, principalmente a nível industrial.
Todas as células vivas são controladas pelas suas características genéticas, que são transmitidas de uma geração a outra. Essas instruções gênicas são dadas por um sistema de códigos baseados numa substância chamada DNA ( ácido desoxirribonucleico) que contém mensagens intrínsecas a sua estrutura química.
A engenharia genética, de uma maneira geral, envolve a manipulação dos genes e a consequente criação de inúmeras combinações entre genes de organismos diferentes. Os primeiros experimentos envolveram a manipulação do material genético em animais e plantas com a transferência (transfecção) dos mesmos para microorganismos tais como leveduras e bactérias, que crescem facilmente em grandes quantidades. Produtos que primariamente eram obtidos em pequenas quantidades originados de animais plantas, hoje podem ser produzidos em grandes escala através desses organismos recombinantes.
A inserção de genes de uma determinada espécie em outra não correlacionada, pode vir a melhora esta última, que passa a apresentar determinadas características outrora não existentes.
Produção de vacinas, melhora de características agrônomicas de plantas e da qualidade dos animais de corte, por exemplo, perfazem um quadro das melhoras trazidas com a utilização da tecnologia do DNA recombinante ou da chamada engenharia genética.
Antes do cientistas poderem se utilizar das técnicas do DNA recombinante, eles precisaram decifrar o código genético. Descobriram que o DNA se constitui numa molécula formada por uma dupla fita em espiral, formando uma hélice (fig-1). Cada gene é um segmento da fita de DNA que transcreve ou decodifica uma determinada proteína. Existem 20 aminoácidos diferentes que formam as proteínas. O tamanho das proteínas, bem como a ordem dos aminoácidos que as formam, variam enormemente. Se imaginarmos que em média uma proteína contém 100 aminoácidos, existem 10020 possibilidades distintas (1,27 x 10130 proteínas).
O código genético dado pela dupla fita de DNA é traduzido em sequências de aminoácidos codificando as proteínas. Esse passo (DNA ® proteínas) exige um intermediário que é dado pela molécula de RNA mensageiro ( mRNA), molécula similar ao DNA, mas que se constitui de uma única fita helicoidal e com composição distinta.
O corpo humano processa cerca de 60.000 tipos de proteínas, tendo cada uma diferente e específica função. Esta função pode ser fisiológica ou estrutural. A proteína hemoglobina, por exemplo, carrega oxigênio no sangue. O colágeno é uma proteína estrutural encontrada em diversas partes do nosso organismo incluindo nariz e os lobos das orelhas. Actina e miosina interagem para dar os movimentos musculares. A insulina controla o teor de açúcar no sangue e no interior das células.
Assim, para se poder trabalhar com a chamada engenharia genética, controlando as características das proteínas a serem produzidas nos organismos, foi de importância crucial o conhecimento do código genético.
A molécula de DNA contém subunidades chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo é formado por um açúcar (desoxirribose), um componente fosfato e uma das quatro diferentes bases, dadas pelas purinas [ adenina (A) e guanina (G)], e pelas pirimidinas [ citosina (C) e timina (T)] (Fig. 2 e 3). Cientistas descobriram que o DNA é formado por duas fitas de nucleotídeos complementares, que são ligadas por pontes de hidrogênio (a base A pareia-se com T; a base C pareia-se com G). A estrutura total do DNA assemelha-se a uma escada. O corrimão é estruturado pelo açúcar e pelos grupos fosfatos; os degraus são estruturados pelas bases.
Dentro das células cada sequência de três bases na fita do DNA há a decodificação de um dos 20 aminoácidos. A união desses aminoácidos perfaz uma proteína.
Para se obter uma proteína a partir da sequência de DNA, as fitas se separam e a maquinaria celular faz cópias de partes relevantes do DNA na forma da simples fita do RNA mensageiro (mRNA) (Fig.4). Este mRNA move-se pelas "fábricas" da célula chamado ribossomo. Nos ribossomos o mRNA serve como "molde" para a produção das proteínas. Essas proteínas são traduzidas de acordo com a sequência de bases no mRNA, sendo os aminoácidos adicionados a proteína um a um. Esses aminoácidos são alinhados sobre o mRNA. Neste ponto torna-se importante o chamado RNA transportador ( tRNA), que auxilia de maneira específica o transporte de um determinado aminoácido para uma sequência específica do mRNA.
Estudiosos têm conhecimentos detalhados da sequência de aminoácidos de muitas proteínas. Hoje, conhecem-se as sequência de bases no DNA que transcrevem determinados aminoácidos, podendo-se identificar os genes nos cromossomos.
A identificação dos genes não é tudo. O próximo passo nessa tecnologia faz-se pela cópia dos mesmos e a sua inserção em outras células. Essas céluas podem ser bactérias ou outros microorganismos que crescem facilmente; ou células de plantas e animais, onde o determinado gene inserido traduz uma proteína requerida pelo organismo.
Para esse trabalho, os cientistas se utilizam de novas técnicas bioquímicas, usando enzimas que quebram a fita de DNA em pontos específicos. Com isso o DNA pode ser manipulado, pois o fragmento quebrado pode ser inserido em outra fita de DNA (em outro organismo, por exemplo, que também tenha sofrido a quebra do seu DNA). A inserção de genes dentro de diferentes organismos pode ser feito facilmente com a utilização de plasmídios bacterianos _ pequenos círculos de DNA que são muito menores que o cromossômo bacteriano. Alguns desses plasmídios podem pasar facilmente de uma célula para a outra. Esses plasmídios são capazes de sintetizar a proteína desejada, mediante a inserção de uma sequência específica de DNA. A insulina humana utilizada no tratamento da diabete pode agora ser produzida desta maneira (Fig. 6):
Melhora da qualidade das vacinas contra as doenças;
Produtos humanos puros e em quantidades comerciais como a insulina e o hormônio
de crescimento;
Produção de antibióticos por meios mais econômicos
ou outrora não existentes;
Plantas mais resitentes a pesticidas, doenças e a insetos;
Plantas com melhora em sua qualidade nutricional.
Animais e Plantas transgênicas
Animais e plantas transgênicas resultam de experimentos de engenharia
genética nos quais o material genético é movido de um
organismo a outro, visando a obtenção de características
específicas.
Em programas tradicionais de cruzamentos, espécies diferentes não se cruzam entre si. Com essas técnicas transgênicas, materiais gênicos de espécies divergentes podem ser incorporados por uma outra espécie de modo eficaz. O organismo transgênico apresenta características impossíveis de serem obtidas por técnicas de cruzamento tradicionais. Por exemplo, genes produtores de insulina humana podem ser transfectados em bactéria E. coli. Essa bactéria passa a produzir grandes quantidades de insulina humana que pode ser utilizada com fins medicinais.
Embora o código genético seja o mesmo em todos os organismos, o mecanismo que regula a ativação dos genes é diferencial. Um gene de uma bactéria não trabalhará de maneira correta caso seja introduzido em uma planta sem as devidas modificações. Assim , a engenharia genética constrói em primeiro lugar um transgene. Este contitui-se num segmento de DNA contendo o gene de interesse e um material extra que serve como regulador do funcionamento deste transgene num novo organismo.
Preparo de um transgene: a ativação dos genes é controlada por segmentos especiais de DNA, também localizados nos cromossomos. Estas regiões são chamadas de regiões promotoras. Quando se cria um transgene, é comum ter que substituir a sequência promotora do gene a ser transferido para outro organismo. No lugar dessa sequência promotora que foi extirpada, coloca-se uma outra sequência capaz de regular e comandar a correta expressão desse gene no organismo que receberá o transgene.
Animais transgênicos: cópias de um transgene são usualmente injetadas diretamente dentro de um ovo fertilizado, o qual é implantado diretamente no trato reprodutivo da fêmea. Entretanto, há dificuldades em se controlar com precisão o local, ao longo do cromossomo, onde ocorrerá a insersão desse transgene. Isso pode causar variação na maneira de expressão do transgene, podendo inclusive destruir um gene já presente no organismo. Percebe-se que este processo é trabalhoso e pouco eficiente. Menos de 5% de todos os embriões manipulados apresentam sucessos. Novos métodos vem sendo estudados.
Plantas transgênicas: todas as células de uma planta apresentam a capacidade de se desenvolver numa planta (são conhecidas como células totipotentes). Assim, a inserção dos trangenes é relativamente simples. O transgene pode ser introduzido dentro de uma única célula através de uma variedade de técnicas físicas e biológicas, incluindo bactérias ou derivados que carregam novos genes dentro das células. Isso acaba por regenerar uma planta transgênica. Técnicas de culturas de tecido permitem que estas células transformadas sejam propagadas de forma a permitir o desenvolvimento de plantas transgênicas
O principal uso dessa tecnologia faz-se pela alteração de animais e plantas que podem crescer mais e com melhores quantidades. A utilização das técnicas transgênicas permite a alteração da bioquímica e do próprio balanço hormonal do organismo transgênico. Hoje muitos criadores de animais, por exemplo, dispões de raças maiores e mais resitentes à doenças graças a essas técnicas.
Atualmente as técnicas de utilização de transgenes vêm sendo amplamente difundidas. Assim um número crescente de plantas tolerantes a herbicidas e à determinadas pragas tem sido encontradas.
Uma nova variedade de algodão, por exemplo, foi desenvolvido a partir da utilização de um gene oriundo da bactéria Bacillus thuringensis, que produz uma proteína extremamente tóxica a certos insetos e vermes, mas não a animais a ao homem. Essa planta transgênica ajudou na redução do uso de pesticidas químicos na produção de algodão.
Tecnologias com uso de transgenes vem sendo utilizadas também para alterar importantes características agronômicas das plantas: o valor nutricional, teor de óleo e até mesmo o fotoperído (número de horas mínimo que uma planta deve estar em contato com a luz para florescer).
Com técnicas similares àquela da produção de insulina humana em bactérias, muitos produtos com utilidade biofarmacêuticas podem ser produzidos nesses animais e plantas transgênicas. Por exemplo, pesquisadores desenvolveram vacas e ovelhas que produzem quantidade considerável de medicamentos em seus leites. O custo dessas drogas é muito menor do que os produzidos pelas técnicas convencionais.
A tecnologia transgênica é também uma extensão das práticas agrícolas utilizadas há séculos. Programas de cruzamentos clássicos visando a obtenção de uma espécie melhorada sempre foram praticados. Em outras palavras, a partir de uma espécie vegetal qualquer e realizando o cruzamento entre um grupo de indivíduos obteremos a prole chamada de F1. Dentre os indivíduos da prole, escolheremos os melhores que serão cruzados entre si, originando a prole F2. Sucessivos cruzamentos a partir dos melhores indivíduos obtidos em cada prole serão feitos.
Todo esse trabalho busca a obtenção de indivíduos melhorados. Essa técnica trabalhosa e demorada de melhoramento vem sendo amplamente auxiliada pelas modernas técnicas de biologia molecular. Com isso as espécies são melhoradas com maior especificidade, maior rapidez e flexibilidade, além de um menor custo.
Fonte: cafe.cbmeg.unicamp.br
