A primeira coisa que a maioria de nós faz ao entrar no laboratório pela manhã é brincar com E. coli – descongele, pellet, suspenda e assim por diante.
É um trabalho rotineiro que torna fácil esquecer todos os usos surpreendentes dos micróbios na biotecnologia.
Lembra quando todos nós fizemos pães de massa fermentada durante o bloqueio do COVID-19? Biotecnologia (mais ou menos).
Ama queijo azul? Biotecnologia.
Já se perguntou como a insulina de grau médico é produzida? Usamos bactérias para fazer isso. Biotecnologia.
Se isso despertou seu interesse, proceed lendo, pois este artigo explica algumas das maneiras mais interessantes de usar micróbios além da pesquisa de laboratório.
O que é Biotecnologia?
A biotecnologia é o uso de organismos biológicos, ou partes de sua maquinaria celular, em processos tecnológicos.
É quase tão antiga quanto a própria civilização, embora só tenha sido chamada de “biotecnologia” no século XX. Longe de abandoná-lo no século XXI, continuamos a desenvolver novos usos para os organismos biológicos.
Surgiram vários periódicos com foco em biotecnologia, como Biotecnologia da Natureza e Tendências em Biotecnologiapublicando artigos de disciplinas abrangentes. Este artigo se concentrará em nossos usos favoritos de micróbios na biotecnologia.
1. Cerveja, Pão e Vinho
A biotecnologia usada para a produção de alimentos e bebidas é chamada de biotecnologia amarela.
Fungos simples em forma de levedura foram provavelmente os primeiros organismos “domesticados” usados para fazer produtos comestíveis através do processo de fermentação. O consumo de glicose pela levedura produz um subproduto de etanol e dióxido de carbono, que pode ser explorado para gerar pão, cerveja e vinho.
Da mesma forma, a well-liked bebida moderna, o kombuchá e o repolho fermentado (kimchi) são produzidos por meio da fermentação por leveduras, bactérias do ácido láctico e bactérias do ácido acético. (1)
A levedura mais famosa é a levedura de cerveja e de padeiro Saccharomyces cerevisiae. Foi usado pela primeira vez pelos antigos egípcios para fazer cerveja (até mesmo os construtores de pirâmides tinham rações de cerveja). S. cerevisiae é inofensivo e fácil de cultivar, e seu método de cultivo foi eventualmente refinado por Louis Pasteur.
Em 1996, o genoma da levedura de padeiro tornou-se o primeiro genoma eucariótico sequenciado. Não é à toa que foi o primeiro organismo eucariótico utilizado como modelo para a produção de diversos metabólitos, do isopropanol ao mentol.
Além da genética das leveduras, as leveduras são usadas como modelo para estudar proteína-proteína e proteína-ácido nucleico interações, ambas com aplicações na descoberta de medicamentos.
2. Produtos lácteos
A fermentação do leite utilizando microrganismos é tão antiga quanto a domesticação de animais de rebanho, que começou há cerca de 14 mil anos na região do Crescente Fértil, na Ásia Ocidental.
O leite é fermentado por Lactobacilos; no entanto, alguns queijos, como o queijo azul, são feitos com Penicillium. Da mesma forma, certos vinhos de sobremesa são feitos a partir da “podridão nobre” do fungo Botrytis cinerea.
3. Produção de antibióticos
A biotecnologia vermelha é o uso da biotecnologia nas indústrias médica e farmacêutica. É chamado de vermelho por causa da associação com sangue e símbolos da medicina – cruz vermelha e crescente.
Os fungos estão mais comumente associados à produção de queijo e vinho. No entanto, eles têm uma longa história na medicina tradicional como pão mofado, coberto de fungos Penicillium e Aspergilluss, seriam aplicados regularmente em feridas por seu efeito antimicrobiano.
O salto dos compostos antimicrobianos para os antibióticos que conhecemos agora foi iniciado pelo cientista escocês Alexander Fleming, que descobriu acidentalmente Estafilococos supressão do crescimento por Penicillium molde em 1928.
No entanto, foram necessários mais 12 anos e uma guerra mundial para iniciar a produção em massa de penicilina usando técnicas de fermentação profunda. (2)
4. Enzimas de restrição
Sabia-se desde a década de 1950 que certos bacteriófagos causavam um crescimento deficiente de diferentes cepas bacterianas, mas a razão period desconhecida. Em 1970, pesquisadores norte-americanos caracterizaram uma enzima da bactéria Haemophilus influenzae que pode cortar DNA em locais específicos.
Esta enzima de restrição, denominada OládIII, tem como alvo o DNA estranho, protegendo as bactérias dos bacteriófagos. (3)
Na biotecnologia, enzimas de restrição são usados para cortar DNA para criar uma lacuna para inserir um novo pedaço de DNA. Hoje conhecemos mais de 3.000 enzimas de restrição reconhecendo 230 sequências de DNA. (4) Estas enzimas de restrição são utilizadas em biotecnologia para cortar ADN e criar uma lacuna para inserir um novo pedaço de ADN.
5. Produção de Proteínas em Bactérias
Produção de proteínas em Escherichia coli foi uma nova etapa na biotecnologia porque utilizou tecnologia de DNA recombinante em vez de técnicas tradicionais de seleção. A primeira proteína humana produzida em E. coli em 1978 foi a insulina, (5) seguida pelos hormônios de crescimento humano. (6)
E. coli tornou-se um dos micróbios mais importantes da biotecnologia. Seu genoma e maquinaria celular estão bem documentados, tornando as técnicas de DNA recombinante fáceis de projetar. Mais importante ainda, é extremamente fácil cultivar usando técnicas bem aprimoradas que são procedimentos de rotina na maioria dos laboratórios de microbiologia.
6. Células de combustível microbianas
Os cientistas descobriram uma maneira de aproveitar a produção pure de energia da célula e direcioná-la diretamente para um circuito elétrico. Essas células de combustível microbianas (MFC) são feitas usando micróbios eletroativos como Geobacter e Shewanellaporque possuem propriedades específicas que auxiliam na transferência de eletricidade. (7)
Existe um enorme potencial para os MFCs abordarem a produção de energia sustentável, onde os micróbios podem criar electricidade e, ao mesmo tempo, decompor substratos alvo, como as águas residuais.
7. Bibliotecas de exibição de fagos
Semelhante à descoberta das enzimas de restrição, a enzima que une as extremidades das moléculas de DNA recombinante, a T4 ligase, também vem de um bacteriófago. Mas talvez a maior contribuição dos fagos para a biotecnologia sejam as bibliotecas de exibição de fagos (PDLs), desenvolvidas em 1985. (8)
Nas PDLs, um gene que codifica uma proteína de interesse é inserido em um fago. proteína de revestimento gene, fazendo com que o fago “exiba” a proteína em sua parte externa. (9) Os PDLs são utilizados nos estudos de interações proteína-proteína, proteína-peptídeo e proteína-DNA. Os PDLs são úteis na descoberta de vacinas e medicamentos. (10)
8. Microalgas
A biotecnologia azul utiliza recursos marinhos para criar produtos e aplicações industriais.
A principal aplicação da biotecnologia azul é a produção de bioóleos renováveis com microalgas fotossintéticas para substituir a extração de petróleo. Trabalhar com algas não é muito diferente de trabalhar com outros microrganismos.
Para modificar geneticamente suas microalgas, você pode usar transformaçãoum método acquainted de introdução de DNA em uma célula.
9. Agrobactéria Tumefaciens
A biotecnologia verde envolve a engenharia genética de plantas. É baseado em um truque bacana do micróbio Agrobacterium tumefaciens. Possui um plasmídeo, Ti, que transfere alguns de seus genes para o genoma da planta. A transferência requer apenas sequências de fronteira de T-DNA, para que você possa inserir DNA estranho entre as bordas para ser expresso nas células vegetais. Várias plantas de cereais foram modificadas usando este método, assim como células HeLa. (11)
10. CRISPR
Por último, mas não menos importante, na história da biotecnologia está o uso do CRISPR. Claro, não é um micróbio, mas sim um mecanismo bacteriano usado para projetar organismos.
CRISPR period descoberto em 1987 mas ganhou força considerável na última década. Resumindo, as bactérias não possuem um sistema imunológico tradicional.
Eles desenvolveram um mecanismo para reconhecer bacteriófagos que já invadiram. Cada vez que uma bactéria é infectada por um bacteriófago, ela armazena um pedaço de DNA do genoma do bacteriófago. Usando a sequência de DNA armazenada como guia, a enzima Cas9 (codificada pela bactéria) reconhece o DNA invasor e o destrói.
Os cientistas reconheceram que este mesmo mecanismo também poderia ser usado para introduzir alterações estáveis no materials genético das células eucarióticas.
Micróbios em Biotecnologia Resumidos
Esperançosamente, depois de ler este artigo e alguns dos outros, você será capaz de ver que a resposta à pergunta “O que os micróbios já fizeram por nós?” é “MUITO”! Os micróbios contribuíram enormemente para o campo da biotecnologia, desempenhando papéis fundamentais na engenharia genética e na produção de alimentos e bebidas, terapêuticas e vacinas, e biocombustíveis.
