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Cincias da Natureza e suas Tecnologias - Biologia Ensino Mdio, 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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INTRODUO Biotecnologia corresponde a tcnicas que tm permitido ao ser humano utilizar organismos para obter produtos de seu interesse. Durante milnios, os agricultores vm cruzando diferentes espcies e variedades vegetais para obter plantas com determinadas caractersticas. H cerca de 3 mil anos, por exemplo, lavradores chineses cultivaram uma leguminosa silvestre que produzia um feijo preto ou marrom: a soja. Atualmente, h cerca de 7 mil variedades de soja, o que ilustra a grande diversidade obtida por meio de tcnicas convencionais de cultivo. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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A engenharia gentica possibilita a manipulao de molculas de DNA. Por meio dessas tcnicas, possvel gerar organismos transgnicos, mapear os genes nos cromossomos e em qualquer lugar dele um gene se localiza. possvel, tambm, realizar o chamado sequenciamento gnico, ou seja, determinar qual a sequncia de bases nitrogenadas de um gene. Essas informaes tm permitido aprimoramento nos servios de aconselhamento gentico, pois possibilitam que um indivduo normal saiba se ele ou no portador de um alelo do gene que causa alguma doena (deletrio) e que pode ser transmitido a seus descendentes. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Alm disso, esses conhecimentos ajudam a aprimorar as informaes que podem ser obtidas em diagnostico pr- natal sobre doenas genticas em fetos. As tcnicas de engenharia gentica permitem ainda fazer a identificao de pessoas com base na anlise do DNA, com um nvel de certeza igual aos das impresses digitais. Por isso, fala-se em impresses digitais genticas ou DNA fingerprint (palavra inglesa que significa impresso digital). Esses recursos tm sido empregados em testes de paternidade para resolver casos de troca de crianas em maternidades, alm de problemas criminais, como estupros, roubos e assassinatos. A engenharia gentica est abrindo caminhos para a produo de hormnios de forma mais rpida e eficiente. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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DNA RECOMBINANTE BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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A tcnica central na tecnologia do DNA recombinante o isolamento de molculas de DNA e sua insero em outro organismo. Para isso, preciso isolar o trecho de DNA a ser inserido. Esse processo envolve a fragmentao do DNA dos cromossomos na interfase, o que feito pela ao de enzimas especiais denominadas enzimas de restrio. A descoberta dessas enzimas permitiu grandes avanos na manipulao do DNA. Nas bactrias, essas enzimas fazem parte dos mecanismos de defesa desses procariontes contra os vrus, pois atuam como verdadeiras tesouras moleculares, cortando o DNA viral em vrios pedaos e tornando-o inativo. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Cada enzima de restrio corta o DNA somente quando encontra uma sequncia especfica de bases nitrogenadas. Dessa forma, esse corte no feito em qualquer lugar. Os cientistas j sabem onde atua cada uma das enzimas de restrio conhecidas. Por exemplo, existe uma enzima chamada Eco R1, a qual corta o DNA toda vez que encontra as seguintes sequncias pareadas: BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Regies que sero cortadas Por Eco R1... GAATTC...... CTTAAG... Dois fragmentos resultantes... G... CTTAA AATTC... G...

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Ao encontrar essa sequncia, Eco R1 sempre corta o DNA entre as bases G e A. Alm dessas enzimas com capacidade de cortar o DNA em locais especficos, os cientistas tm conseguido inserir segmentos isolados em outra molcula de DNA, com o uso de enzimas chamadas DNA ligases. Aproveitando-se dessas propriedades, os cientistas tm usado as enzimas de restrio para cortar molculas de DNA de vrios organismos, inclusive das prprias bactrias. Assim, tem se conseguido trabalhar com trechos menores da molcula de DNA e isolar genes. Esses genes ou trechos de DNA isolados so unidos a molculas de DNA de outro organismo. A molcula de DNA associada ao novo trecho inserido denominada DNA recombinante. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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CLONAGEM DE DNA BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Clonagem de DNA significa produo de inmeras cpias idnticas de um mesmo fragmento de molcula de DNA. Esse processo tem incio com o isolamento, pela ao das enzimas de restrio, de fragmentos do DNA a serem clonados. Depois de isolados, esses trechos so introduzidos no DNA de outros organismos, principalmente vrus e bactrias, que aceitam essa manipulao. Esses organismos so chamados de vetores. Ao se reproduzirem, esses microrganismos multiplicam as molculas recombinantes, dando origem a um grande nmero de clulas idnticas. Consegue-se, desse modo, produzir grande nmero de cpias exatas (clones) de um mesmo trecho de DNA. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA DNA humano As enzimas quebram a molcula de DNA em dois locais precisos, isolando um gene que codifica a sntese de uma substncia A. Esquema simplificado da formao de DNA recombinante e sua clonagem em bactrias (Elementos representados em diferentes escalas, cores-fantasia.) Outras enzimas unem o gene isolado ao plasmideo retirado da bactria Meio de cultura. Duplicao da bactria, dando origem a um clone Bactria recombinante. Passa a produzir as susbtncias A e B Reintroduz-se o plasmideo na bactria Local de ao da enzima DNA ligase Gene Local de ao da enzima DNA ligase Local de ao da enzima de restrio Extrao Gene Bactria O plasmideo codifica a sntese de uma Substncia B. Cromossomo bacteriano Plasmideo Local de ao da enzima de restrio

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Genes essenciais Genes no essenciais Genes De interesse Cortes com enzimas De restrio A Cortes com a mesma Enzimas de restrio A DNA viralDNA humano Unio com a Enzima DNA ligase Gene Humano DNA recombinante Adciona-se ao meio com DNA recombinante protenas Virais e enzimas para que ocorra a reconstituio do vrus. Vrus produzido em laboratrio Esses vrus so introduzidos em culturas de bactrias ou de clulas de outros Organismos, onde ocorre replicao do DNA recombinante, formando vrios vrus. Esquema simplificado de Formao de DNA Recombinante Em vrus e sua Clonagem. (cores fantasia.)

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ALGUMAS UTILIZAES PRTICAS DA CLONAGEM GNICA BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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A produo de certos hormnios da espcie humana j tem sido realizada por meio de tcnicas de clonagem, como as descritas. o caso da insulina e da somatotropina (hormnio do crescimento). Hoje, j possvel produzir insulina clonando o gene humano em bactrias e o estimulando para que entre em atividade. Produzem-se, assim, quantidades considerveis de insulina, posteriormente isolada e purificada para a utilizao humana. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Processos Industriais de produo Purificao Matrias-primasBactria com o gene Humano para insulina Clonagem de bactrias recombinantes Esquema de produo de Insulina por engenharia gentica. (Elementos representados em diferentes escalas; cores fantasia) Insulina Outras substncias

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IDENTIFICAO DE PESSOA BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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O DNA fingerprint tem sido til para a identificao de pessoas, para esclarecer dvidas sobre a possvel participao de suspeitos em crimes e para realizar testes de paternidade. Os testes que utilizam DNA fingerprint fornecem certeza de 99,9% em seu resultado. Os cromossomos humanos contm cerca de 35 mil genes diferentes, mas isso representa apenas 3% do contedo do genoma humano. O restante formado por DNA no codificante. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Esquema resumindo as etapas de separao de fragmentos de DNA por meio da eletroforese em gel. Amostras so colocadas em pequenas depresses do gel, que fica sustentado por placas de vidro e imerso em soluo Aquosa. Eletrodos ligados nas duas Extremidades estabelecem um polo e outro +. Os fragmentos maiores se deslocam menos e os menores, mais. Desliga-se a corrente eltrica. Os fragmentos ficam separados por tamanho, formando faixas na placa de gel. Cada coluna corresponde ao DNA de uma das amostras Esse padro de bandas fica evidente quando se adiciona placa de gel corante especfico que fluoresce na luz ultravioleta, como mostra a fotografia. Fragmentos menores Fragmentos maiores Eletroforese completa Os fragmentos migram no gel Placas de vidro Gel Amostras contendo fragmentos de DNA de diferentes tamanhos; cada amostra de uma pessoa Polo negativo Polo positivo I II III

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA A placa de gel colocada em uma cuba com soluo alcalina. Esta migra por capilaridade em direo s toalhas de papel, passando pelo gel e pela membrana de nitrocelulose. Nesse processo, h desnaturao do DNA e as cadeias simples do DNA ficam aderidas membrana. As sondas so cadeias simples de DNA radioativo complementar sequncia de DNA de interesse. Elas se unem apenas nesses trechos, marcando-os: DNA hibridizado. Lava-se a preparao para remover as sondas que no se uniram ao DNA A membrana removida e colocada em um meio contendo sondas radiativas. Toalhas de papel Placa de gel aps a eletroforese Cuba contendo soluo alcalina Sondas de DNA radiativo (cadeias simples) Filme fotogrfico Saco plstico Uma folha de filme fotogrfico colocada sobre a membrana. A radiatividade da sonda impressiona o filme, que passa a conter o padro de bandas com o DNA de interesse. I II III

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TERAPIA GNICA BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Essa tcnica consiste em substituir o alelo anormal, que causa doena, pelo alelo normal. Os estudos de terapia gnica esto at o momento restritos a clulas somticas, mas, em um futuro prximo, pretende-se atuar sobre as clulas que formam os gametas, de modo que o indivduo afetado no possa mais transferir o alelo anormal para seus descendentes. As principais maneiras de introduzir genes em humanos, nos casos de terapia gnica, tm sido: BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Tcnica ex vivo: consiste em usar um vetor como um vrus modificado que contenha o alelo normal. A seguir, colhem-se glbulos brancos (leuccitos) do sangue da pessoa afetada e se permite que os vrus alterados infectem essas clulas em meio de cultura. Os vrus introduzem nos leuccitos o alelo normal e, assim modificados, os leuccitos so mantidos em meios propcios sua intensa multiplicao. Depois so reintroduzidos no paciente, em um processo semelhante a uma transfuso de sangue. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Tcnica in vivo: consiste na clonagem em um vetor do alelo normal e de seu preparo para introduo no paciente, por meio de injeo na veia ou intramuscular. Alguns dos alelos acabam por ser incorporados s clulas do paciente, e dentro delas passam a comandar a sntese da protena normal. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA 1 e 2 2 1 3 4 Representao esquemtica do processo de introduo de genes modificados no corpo humano pelos processos in vivo (representado pela seta laranja) e ex vivo (representado pelas setas azuis). (Elementos representados em diferentes escalas: cores-fantasia.) As clulas humanas geneticamente modificadas so introduzidas no paciente. O vetor introduz nas clulas humanas o seu DNA, que contm o gene de interesse. Clulas humanas Vetores Vrus como vetor Clulas humanas Geneticamente modificadas Clulas de um paciente so removidas e mantidas em meios de cultura onde se adiciona o gente de interesse, usando vetores Gene de interesse teraputico

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VACINAS GNICAS BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Utilizando as tcnicas da biologia molecular, os cientistas esto avanando em mais uma rea importante: as vacinas a partir do DNA. Genes de agentes causadores de doenas e que codificam protenas responsveis por estimular o sistema imunolgico humano tm sido isolados e inseridos em bactrias e clonados. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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CLONAGEM BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA O ncleo haploide removido por micromanipulao Clulas so mantidas em cultura por seis dias Ovelha Blackface: doadora do ovcito Ovelha Finn Dorset: doadora da clula mamria Ovcito Clulas mamrias mantidas em meio de cultura sem nutrientes. Com isso, a clula no se divide, entrando em estado de quiescncia. Nesse momento, todos os genes podem ser ativados Clulas Mamrias Descarga Eltrica para estimular a fuso e a diviso celular Blastocisto de 6 dias Vrios blastoscistos assim produzidos so implantados no tero da futura me, que uma fmea da raa Blackface. Clula quiescente pronta para clonagem Dolly: ovelha Finn Dorset, clone de fmea doadora da clula mamria Imagem: Squidonius/ Public Domain

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ORGANISMOS TRANSGNICOS BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Organismos transgnicos so aqueles que recebem genes de outras espcies de seres vivos. A importncia deles est na obteno de indivduos em caractersticas vantajosas e que produzam substncias de interesse para o ser humano. A transferncia de genes de um organismo para outro j foi feita com sucesso em camundongos: o gene que produz o hormnio do crescimento humano foi isolado e transferido para zigotos do camundongo, logo aps a fertilizao in vitro; os ovcitos foram removidos cirurgicamente e fecundados com espermatozoides. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Imagem: Ovcito/ Ekem/ Public Domain Fotomicrografia mostrando introduo do material gentico em ovcito de mamfero. O ovcito est preso por suco pipeta, e o material genticos est sendo introduzido por uma microagulha de vidros. O ovcito mede cerca de 100 mm de dimetro.

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Imagem: Ingrid Moen et al/ Creative Commons Atribuio 2.0 Genrica Fotografia de filhotes de camundongos normais e transgnicos sob luz especial. Os camundongos transgnicos sintetizam uma protena de gua-viva, que confere a cor verde fluorescente sua pele, sob essa iluminao.

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Fotografia de ovelha transgnica que expressa o gene humano que codifica a protena alfa-1-antitripsina. A protena usada no tratamento de pessoas que no a produzem em quantidade suficiente, o que pode causar enfisema pulmonar. Imagem: Malene Thyssen/ GNU Free Documentation License

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Imagem: United States Department of Agriculture/ Disponibilizado por Jurema Oliveira/ Public Domain Fotografia de sementes de soja e de mamoeiro transgnicos. Imagem: United States Department of Agriculture/ Disponibilizado por Jurema Oliveira/ Public Domain

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Imagem: David W. Ow et al/ US Dept. of Agriculture and the National Science Foundation/ GNU Free Documentation License Fotografia de planta de tabaco com gene de vaga-lume, que lhe deu a caracterstica de bioluminescncia

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BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA Fotografia de mexilhes e, dentro de um frasco, planta de tabaco geneticamente modificada. A planta recebeu genes de mexilho que codificam a sntese da substncia adesiva dos fios que prendem o animal ao substrato (fios do bisso) David W. Ow et al/ US Dept. of Agriculture and the National Science Foundation/ GNU Free Documentation License

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Referncia Bibliogrfica Lopes, Snia e Rosso, Srgio; BIO: Volume 2 1. ed. So Paulo: Saraiva, 2010. BIOLOGIA 3 Ano Questes ticas da manipulao do DNA

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Tabela de Imagens n do slide direito da imagem como est ao lado da fotolink do site onde se conseguiu a informaoData do Acesso 27Squidonius/ Public Domainhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dolly_clon e.svg?uselang=pt-br 28/08/2012 30Ekem/ Public Domainhttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oocyte.jpg28/08/2012 31Ingrid Moen et al/ Creative Commons Atribuio 2.0 Genrica http://commons.wikimedia.org/wiki/File:GFP_Mice _01.jpg?uselang=pt-br 28/08/2012 32Malene Thyssen/ GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Klitf%C3% A5r.jpg 28/08/2012 33a United States Department of Agriculture/ Jurema Oliveira/ Public Domain http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Soybean.U SDA.jpg 28/08/2012 33bMarco Schmidt/ Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carica_pap aya_MS4113.JPG 28/08/2012 34David W. Ow et al/ US Dept. of Agriculture and the National Science Foundation/ GNU Free Documentation License http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glowing_t obacco_plant.jpg?uselang=pt-br 28/08/2012 35Sandy Austin/ Creative Commons Attribution 2.0 Generic http://commons.wikimedia.org/wiki/File:New_Zeala nd_green_mussels.jpg 28/08/2012