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Synthetic Life” Synthetic Life” Artigo de W. Wayt Gibbs Artigo de W. Wayt Gibbs 2004 2004

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Page 1: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

““Synthetic Life”Synthetic Life”Artigo de W. Wayt GibbsArtigo de W. Wayt Gibbs

20042004

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EvoluçãoEvolução

Fonte inesgotável de criatividadeFonte inesgotável de criatividade

3,6 biliões de anos de mutações e 3,6 biliões de anos de mutações e competiçãocompetição

Elevada BiodiversidadeElevada Biodiversidade

Page 3: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

Ainda há muito a aperfeiçoar…Ainda há muito a aperfeiçoar…

Exemplos:Exemplos:

1.1. Microrganismos capazes de digerir o Microrganismos capazes de digerir o explosivo TNT;explosivo TNT;

2.2. Arbustos de Artemísia produzem um Arbustos de Artemísia produzem um potente agente contra a malária.potente agente contra a malária.

Page 4: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

1.1. Digestão do explosivo TNTDigestão do explosivo TNT

Teria especial interesse que os Teria especial interesse que os microrganismos ao digerirem omicrorganismos ao digerirem oexplosivo brilhassem explosivo brilhassem

Indicando a localizaçãoIndicando a localização de minas terrestres ou de minas terrestres ou

a contaminação dos solosa contaminação dos solos

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2.2. Artemísia produz agente contra Artemísia produz agente contra a maláriaa malária

Mas a produção do agenteé tão reduzida que torna-semuito dispendiosa a extracção

Seria muito benéfica a descoberta de bactérias quefizessem a síntese do composto (artemisinina) a baixos custos.

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Drew EndyDrew Endy

Dedicação à Biologia Sintética;Dedicação à Biologia Sintética;

Projecção e construção de sistemas Projecção e construção de sistemas vivos de modo previsíveis.vivos de modo previsíveis.

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ObjectivosObjectivos1. 1. Aprender sobre a vida através de sua Aprender sobre a vida através de sua

construção;construção;

2.2. Fazer com que a engenharia genética, Fazer com que a engenharia genética, seja padronizada nas suas criações e seja padronizada nas suas criações e recombinação para produzir novos e recombinação para produzir novos e mais sofisticados sistemas;mais sofisticados sistemas;

3. 3. Expandir os limites de seres vivos e Expandir os limites de seres vivos e máquinas até que ambos se unam, para máquinas até que ambos se unam, para produção de organismos realmente produção de organismos realmente programáveis.programáveis.

Page 8: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

Biologia SintéticaBiologia Sintética

1989 – Steven A. Benner criou DNA 1989 – Steven A. Benner criou DNA com duas “letras” genéticas artificiais, com duas “letras” genéticas artificiais, originando diversas variedades de originando diversas variedades de DNA.DNA.

2003 – Peter G. Schultz desenvolveu 2003 – Peter G. Schultz desenvolveu células (DNA normal) capazes de células (DNA normal) capazes de gerar aa. não naturais e reuni-los para gerar aa. não naturais e reuni-los para formar novas proteínas.formar novas proteínas.

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Escherichia coli Escherichia coli

Michael Elowitz James Collins Michael Elowitz James Collins e Charles Cantor ee Charles Cantor e

Stanislaus Leibler Timothy Stanislaus Leibler Timothy GardnerGardner

organizaram 3 genes construíram organizaram 3 genes construíram um um

interagentes de modo interruptor interagentes de modo interruptor a fazer a a fazer a E. coli E. coli piscar genéticopiscar genético

Page 10: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

BiotijolosBiotijolosProjecto de Endy

• cópias de secções diferentes de DNA:- desempenham funções autónomas;

- úteis para células com o objectivo de produção de proteínas com funções específicas;

• cada parte genética está projectada para a interacção com outras partes: - nível mecânico;

- nível funcional.

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BiotijolosBiotijolosNível mecânico• fabricadas e armazenadas independentemente• e reunidas para formar fragmentos maiores de DNA

Nível funcional• cada parte envia e recebe sinais bioquímicos padronizados

Mudar o comportamento da “construção”, por substituição de uma das partes

Page 12: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

BiotijolosBiotijolosUm dos frascos de Endy contém:• biotijolo inversor(operador NOT) – sinal deentrada elevado sinal desaída baixo ou vice-versa;• biotijolo AND – emite sinalde saída quando recebe níveiselevados na entrada;• Operador NAND – conexão de ambas as partes (sinais compatíveis)

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BiotijolosBiotijolos

Possibilitandoa projecçãode sistemas genéticos funcionais

Partespadronizad

as

Por exemplo:Construção de 4 programas genéticos, provocando que um grupo de células de E. coli piscassem simultaneamente

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Hijacking CellsHijacking CellsSequestrar célulasSequestrar células

Objectivo: Objectivo:

criar um dispositivo nas células vivas para que criar um dispositivo nas células vivas para que o sistema possa mover-se;o sistema possa mover-se;

reproduzir;reproduzir;

interagir com o mundo real;interagir com o mundo real;

O dispositivo foi inicialmente testado na O dispositivo foi inicialmente testado na bactéria nossa conhecida bactéria nossa conhecida E. coliE. coli..

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A presença de uma célula hospedeira origina

Um aumento da Um aumento da complexidadecomplexidade

Contudo esta complexidade trazida pelo Contudo esta complexidade trazida pelo genoma nativo das células é um genoma nativo das células é um problema e a solução para o enfrentar é problema e a solução para o enfrentar é evitá-la: o dispositivo genético pode ser evitá-la: o dispositivo genético pode ser isolado dentro de seu próprio DNA isolado dentro de seu próprio DNA (loop), estando separado do (loop), estando separado do cromossoma do organismo. cromossoma do organismo.

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Inversor

Proteína DNAUm sinal direccionado da Um sinal direccionado da proteína vai actuar em qualquer proteína vai actuar em qualquer outro inversor, actuando este outro inversor, actuando este também em qualquer outro lugar também em qualquer outro lugar da célula, independentemente de da célula, independentemente de ele estar dentro do DNA (loop) ele estar dentro do DNA (loop) artificial ou no cromossoma artificial ou no cromossoma natural.natural.

Page 17: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

Cada um com Cada um com sinal sinal

diferentediferente

QuatroQuatroinversoresinversores

Ilumina-seIlumina-se

CircuitoCircuitogenéticogenético

Isto apenas aconteceIsto apenas acontecequando há uma quando há uma quantidadequantidadeideal de uma ideal de uma substância químicasubstância química

Para evitar o cruzamento Para evitar o cruzamento de sinais não se utiliza de sinais não se utiliza duas duas vezes a mesma partevezes a mesma parte

Circuito genéticoCircuito genéticodede

WeissWeiss

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- torna muito mais - torna muito mais difícil projectar partes difícil projectar partes que sejam realmente que sejam realmente intercambiáveis e intercambiáveis e possam ser possam ser reagrupadas. reagrupadas.

Dificuldade encontrada por Dificuldade encontrada por Weiss no circuito genético:Weiss no circuito genético:

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ENDY:ENDY:

-Técnica do TIPS-Técnica do TIPS

-Inversor semelhante ao de Weiss-Inversor semelhante ao de Weiss

-Informação é taxa de transcrição do -Informação é taxa de transcrição do genegene

-Inversor responde aos mRNA que são -Inversor responde aos mRNA que são produzidosproduzidos

-Produção duma proteína que -Produção duma proteína que determina a taxa de transcrição do determina a taxa de transcrição do genegene

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Vantagem deste processo:Vantagem deste processo:

-o inversor pode ser removido e -o inversor pode ser removido e substituído por outro biotijolo que substituído por outro biotijolo que processe TIPS;processe TIPS;

-sinais de TIPS são localizados, por sinais de TIPS são localizados, por isso a mesma parte pode ser isso a mesma parte pode ser usada em vários locais de um usada em vários locais de um circuito sem interferência.circuito sem interferência.

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Nota:Nota:

Na solução proposta por Endy: "A Na solução proposta por Endy: "A informação não é uma proteína, mas informação não é uma proteína, mas uma taxa, especificamente a taxa de uma taxa, especificamente a taxa de transcrição do gene. O inversor transcrição do gene. O inversor responde a quantos mRNAs são responde a quantos mRNAs são produzidos por segundo. Ele produz produzidos por segundo. Ele produz uma proteína e essa proteína uma proteína e essa proteína determina a taxa de transcrição (ao determina a taxa de transcrição (ao activar um segundo gene).activar um segundo gene).

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TipsTips(transcrições por segundo)

Reprogramar as Reprogramar as células paracélulas paratrabalharem trabalharem

em conjunto de modo a em conjunto de modo a formar padrõesformar padrões

Células comunicam Células comunicam através de através de

secreções de secreções de nutrientes químicosnutrientes químicos

Page 23: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

Reescrevendo o livro da Reescrevendo o livro da vidavida

As máquinas genéticas vivas reproduzem-se, mas também sofrem

mutações!...

As grandes questões:As grandes questões: Como conseguir uma porção de DNA que Como conseguir uma porção de DNA que

funcione numa célula em constante funcione numa célula em constante transformação?transformação?

Como evitar as mutações inerentes à Como evitar as mutações inerentes à própria Vida e Evolução?própria Vida e Evolução?

Page 24: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

Weiss e Frances Arnold concluem que:Weiss e Frances Arnold concluem que:

a replicação ainda está longe de ser a replicação ainda está longe de ser perfeita;perfeita;

quanto maior o circuito, mais rápido se dá quanto maior o circuito, mais rápido se dá uma mutação nas células, uma vez que os uma mutação nas células, uma vez que os circuitos já construídos sofreram mutação circuitos já construídos sofreram mutação num espaço de horas.num espaço de horas.

Dada uma mutação, teria de ser feita uma Dada uma mutação, teria de ser feita uma

selecção das células mais aptas para o selecção das células mais aptas para o propósito pretendido.propósito pretendido.

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““Sem supervisão, a evolução tende a Sem supervisão, a evolução tende a destruir as máquinas genéticas…”destruir as máquinas genéticas…”

Então como evitar as mutações e Então como evitar as mutações e impedir que estes “erros” sejam impedir que estes “erros” sejam

copiados continuamente?copiados continuamente?

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Talvez tenhamos de pensar nas Talvez tenhamos de pensar nas formas de vida mais simples!!!formas de vida mais simples!!!

Hamilton Smith e Craig VenterHamilton Smith e Craig Venter recriaram em recriaram em laboratório um bacteriófago. O vírus laboratório um bacteriófago. O vírus sintético tinha os mesmos pares de bases sintético tinha os mesmos pares de bases de DNA que a forma natural e era de DNA que a forma natural e era igualmente activo.igualmente activo.

Venter Venter concluiu que estava perto de concluiu que estava perto de sintetizar um cromossoma…talvez! Mas sintetizar um cromossoma…talvez! Mas será isso o suficiente?será isso o suficiente?

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Será que…Será que…

Mesmo sintetizando um cromossoma seria Mesmo sintetizando um cromossoma seria possível transformar o sistema operacional possível transformar o sistema operacional de uma célula?de uma célula?

Talvez…Talvez…

Drew Endy alterou e reconstruiu o seu Drew Endy alterou e reconstruiu o seu genoma, gene por gene, de um genoma, gene por gene, de um

bacteriófago T7.bacteriófago T7.

Este tipo de controlo de expressão de Este tipo de controlo de expressão de genes pode ser útil em terapias genéticas e genes pode ser útil em terapias genéticas e na fabricação de proteínas farmacêuticas.na fabricação de proteínas farmacêuticas.

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Primeiros ProtótiposPrimeiros Protótipos

● ● Homme Hellinga inventou um meio de Homme Hellinga inventou um meio de redesenhar proteínas censoras naturais da redesenhar proteínas censoras naturais da E.coli E.coli de modo que estas se ligassem ao TNT de modo que estas se ligassem ao TNT (detecção de minas terrestres);(detecção de minas terrestres);

● ● J.Keasling fundou um departamento de J.Keasling fundou um departamento de biologia sintética, no LBNL, onde conseguiu biologia sintética, no LBNL, onde conseguiu colocar genes de artemísia e de levedura em colocar genes de artemísia e de levedura em células de células de E.coliE.coli. O circuito permite à . O circuito permite à bactéria fabricar um antecedente químico de bactéria fabricar um antecedente químico de artimisinina, uma droga antimalárica;artimisinina, uma droga antimalárica;

Page 29: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

Artimísia annua Artimísia annua levedura levedura E. coliE. coli

Outros cientistas do LBNL usaram a Outros cientistas do LBNL usaram a E.coliE.coli na eliminação de lixo nuclear.na eliminação de lixo nuclear.

Bactérias modificadas podem passar Bactérias modificadas podem passar a produzir substâncias químicas a produzir substâncias químicas

usadas em perfumes, essências de usadas em perfumes, essências de sabores e em medicamentos.sabores e em medicamentos.

Page 30: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

As consequências…As consequências…E se estas tecnologias forem usadas com E se estas tecnologias forem usadas com

fins não tão louváveis?fins não tão louváveis?

• • Qualquer pessoaQualquer pessoa pode ter acesso a uma pode ter acesso a uma sequência de DNA;sequência de DNA;

• • Existe facilidade na compra de DNA Existe facilidade na compra de DNA sintético;sintético;

• • Cada vez mais aumenta a preocupação do Cada vez mais aumenta a preocupação do seu mau uso.seu mau uso.

Conferência de Asilomar (Califórnia, 1975)Conferência de Asilomar (Califórnia, 1975)

Page 31: Synthetic Life Artigo de W. Wayt Gibbs 2004. Evolução Fonte inesgotável de criatividade Fonte inesgotável de criatividade 3,6 biliões de anos de mutações

Criar ou não criar…Criar ou não criar…

Seria importante que cada vez que Seria importante que cada vez que os peritos no assunto se os peritos no assunto se

reunissem, não se limitassem a reunissem, não se limitassem a partilhar as suas novas ideias partilhar as suas novas ideias

sobre o que pode ser criado, mas sobre o que pode ser criado, mas que também reservassem algum que também reservassem algum tempo para pensar tempo para pensar no que nãono que não

deve ser criadodeve ser criado!!!!!!

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Trabalho realizado por:Trabalho realizado por:

Ana Bruno n º14114Ana Bruno n º14114Mafalda Alemão n º16237Mafalda Alemão n º16237Vera Gomes n º16019Vera Gomes n º16019LECNLECN

FimFim