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Universidade Federal de São Carlos Departamento de Genética e Evolução Laboratório de Biologia Molecular Curso: Fundamentos em Biotecnologia Responsável: Prof. Dr. Flávio Henrique da Silva – DGE - UFSCar Atividade de difusão do: Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 1 Índice Introdução .................................................................................................................2 A engenharia genética...............................................................................................3 O código genético .....................................................................................................3 O “quebra-cabeças” DNA........................................................................................4 Traduzindo o código genético...................................................................................5 A tecnologia do DNA recombinante.........................................................................7 Vantagens em se produzir proteínas em laboratório.................................................9 Plantas e animais transgênicos..................................................................................9 Como funciona um transgene?..................................................................................9 Como introduzir um transgene em animais? ............................................................10 Clonagem e transferência de embriões .....................................................................10 Inserindo transgenes em plantas ...............................................................................10 Como poderemos utilizar a tecnologia dos transgênicos..........................................11 Vantagens sobre as tecnologias tradicionais.............................................................11 Qual o perigo da tecnologia dos transgênicos?.........................................................12 Outras aplicações biotecnológicas ............................................................................12 Biotecnologia em São Carlos....................................................................................14 Evolução da biotecnologia........................................................................................16 Glossário de termos em Biotecnologia .....................................................................20 Bibliografia de importância ......................................................................................31 Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 4 Cada gene é um segmento da fita de DNA que codifica para uma proteína em particular. Proteínas, como o DNA, também são moléculas longas, formadas por monômeros ligados em cadeias. Elas são constituídas por 20 diferentes aminoácidos ligados uns aos outros pelas denominadas ligações peptídicas. Elas são moléculas extremamente versáteis que podem possuir dezenas ou centenas de aminoácidos. Ao contrário do DNA, que assume na maior parte das vezes a forma de uma hélice regular, as proteínas assumem uma enorme variedade de formas tridimensionais. O corpo humano possui aproximadamente 30.000 tipos diferentes de proteínas e cada uma desempenha um papel específico. Este papel pode ser estrutural ou fisiológico. A hemoglobina, por exemplo, transporta oxigênio no sangue; O colágeno é uma proteína estrutural encontrada nos tendões e nos lóbulos das orelhas; Actina e miosina interagem para promover a contração muscular e a insulina, um hormônio protéico controla o transporte de açúcar do sangue para o interior das células. O código genético é traduzido em seqüências de aminoácidos nas proteínas, através de um intermediário chamado RNA (Ácido Ribonucléico), mais precisamente o RNA mensageiro – uma molécula simples fita similar a uma fita do DNA. Entretanto, para controlar o processo de produção de proteínas, os cientistas precisaram entender em detalhes como funciona todo o processo. O “quebra-cabeças” DNA A molécula de DNA contém subunidades chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por um açúcar (deoxiribose), um grupamento fosfato e uma de quatro diferentes bases nitrogenadas – as purinas [adenina (A) e guanina (G)] e as pirimidinas [citosina (C) e timina (T)] (fig 2 e 3). Figura 2. A estrutura em dupla fita do DNA Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 5 Figura 3. A interação entre as duas fitas é feita através de pontes de hidrogênio, sendo que as guaninas sempre pareiam-se com as citosinas através de 3 pontes de hidrogênio enquanto as adeninas pareiam-se com as timinas através de duas. Os cientistas descobriram que o DNA é formado de duas fitas de nucleotídeos, mantidas unidas por pontes de hidrogênio entre as bases das fitas opostas. A estrutura é como uma escada, na qual os corrimãos são formados pelos grupamentos fosfatos e os açúcares e os degraus pelas bases. As bases são encaixadas em pares, como peças de um quebra-cabeça. As duas fitas se enrolam então formando uma hélice. Estas moléculas de DNA contêm a informação para todas as proteínas produzidas na célula. Cada seqüência de 3 bases ao longo da fita de DNA é um código químico para um dos 20 aminoácidos que compõem as proteínas. Traduzindo o código genético Para síntese das proteínas, a molécula de DNA é desenrolada, as fitas separadas, e as células fazem uma cópia de uma parte relevante da molécula, na forma de uma simples fita chamada RNA mensageiro (mRNA) (fig 4). Figura 4. A formação do RNA mensageiro a partir do DNA (transcrição). RNA Polimerase Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 6 O mRNA move-se então para “fábricas” da célula chamadas ribossomos, onde atuam como moldes para a fabricação das proteínas. O código para a proteína é lido ao longo da seqüência de base do mRNA sendo que os aminoácidos apropriados, trazidos por pequenas moléculas de um RNA chamado transportador (tRNA), são adicionados um a um à proteína (fig 5). Figura 5. Para sintetizar as proteínas os aminoácidos são trazidos por RNA transportadores para o RNA mensageiro, que é utilizado como molde para a síntese. Com raríssimas exceções, o código genético é universal, sendo basicamente o mesmo para todos os animais, plantas e microrganismos. Portanto, um fragmento de DNA de um mamífero inserido no cromossomo de uma bactéria faz perfeito sentido para ela. Atualmente os cientistas conhecem com detalhes as seqüências de muitas proteínas e também entendem como as seqüências de bases no DNA são nelas representadas, desta forma, podem identificar os genes no cromossomo que codificam para uma proteína em particular. aa aa aa aa aa aa aa aa aa aaaaaa aa aa aa tRNA mRNA aa aa aa aminoácidos tRNA proteína Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 9 Vantagens em se produzir proteínas em laboratório São inúmeras as vantagens de se produzir uma determinada proteína em laboratório. A primeira delas é o custo – É bem menos dispendioso produzir em laboratório que purificar uma proteína de sua fonte natural. Outra vantagem é quanto à quantidade e pureza da proteína produzida. Não é fácil se obter grandes quantidades de proteína de sua fonte natural. Além disso, a purificação é facilitada quando a proteína é produzida em laboratório, proporcionando maior pureza e evitando efeitos desastrosos de contaminação, que podem ocorrer com facilidade quando a proteína é purificada a partir de sua fonte natural. Por outro lado, o tratamento de doenças dependia da utilização de proteínas extraídas de animais, que foi o caso da insulina por muitos anos. Estas proteínas nem sempre têm a mesma atividade que a proteína humana nativa. Desta forma, pode-se produzir uma proteína específica de humanos para fins terapêuticos, o que é feito no caso da insulina e do hormônio de crescimento. Finalmente, pode-se expressar proteínas modificadas com atividade melhorada, otimizando assim sua utilização. Uma outra grande vantagem é que a quantidade e pureza das proteínas expressas em laboratório possibilitam estudos estruturais utilizando Dicroísmo Circular, Ressonância Magnética Nuclear, Infravermelho e Cristalização seguida de Difração de raios-X. Os estudos estruturais podem contribuir de forma significativa no entendimento da função das proteínas bem como no desenvolvimento racional de drogas, como feito para a protease do HIV e outras proteínas. Plantas e animais transgênicos Plantas e animais transgênicos resultam de experimentos de engenharia genética nos quais o material genético de um organismo é transferido para outro de forma que este último passará a exibir características que não exibia antes. Cientistas, fazendeiros e empresas esperam que as técnicas envolvendo transgênicos permitam culturas e criações mais precisas e menos dispendiosas, não descuidando porém da segurança destes procedimentos. Como funciona um transgene? Embora o código genético seja basicamente o mesmo em todos os organismos, existem detalhes no controle da expressão gênica que diferem nos organismos. Um gene bacteriano não funcionará corretamente se colocado em uma planta ou animal se não possuir uma região controladora destes últimos. Um transgene é um gene a ser introduzido mais uma seqüência controladora. Todos os genes são controlados por segmentos de DNA chamados seqüências promotoras. Na construção de um transgene o promotor original é substituído por um promotor da planta ou animal que receberá o transgene. É recomendável também que esta região promotora seja induzível por alguma substância para que seja expresso sob condições controladas. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 10 Como introduzir um transgene em animais? Várias cópias do transgene são usualmente injetadas diretamente em um ovo fertilizado, preferencialmente no pronúcleo masculino, o qual é implantado em um trato reprodutivo de uma fêmea hospedeira. No entanto, ainda não é possível determinar o local exato da inserção do DNA nos cromossomos, o que pode resultar em variações nos níveis de expressão bem como efeitos colaterais. Além disso, o processo ainda é dispendioso e resulta em uma baixa taxa de sucesso. Atualmente, apenas 5% dos embriões injetados resultam em um animal com o DNA integrado nos seus cromossomos e são hábeis para transmiti-lo para gerações sucessivas. Clonagem e transferência de embriões Recentemente uma nova técnica tem sido desenvolvida e parece muito promissora no sentido de aumentar a eficiência de modificações genéticas em animais. Ela se baseia na remoção do núcleo de um oócito de um animal com uma pequena pipeta de vidro. Uma célula em cultura é então transferida para o oócito e fundida a ele através da aplicação de um pulso curto de corrente elétrica. Os trabalhos originais foram feitos com células derivadas de tecidos fetais, mas recentemente a tecnologia foi desenvolvida também para vários tipos de linhagens celulares, incluindo de adultos. O primeiro animal obtido utilizando esta tecnologia foi a ovelha “Dolly” em 1997. Um aspecto importante desta tecnologia é que ela permite a obtenção de um grande número de animais idênticos, ou seja, clones. Assim, se a linhagem celular foi desenvolvida de um animal de elite, os animais produzidos a partir dela também serão de elite. Além disso, como todo o processo é feito utilizando células em cultura, os custos são mais baixos que aqueles para produção de transgênicos. Há também a vantagem de se poder fazer modificações gênicas antes da efetivação do processo. Inserindo transgenes em plantas Em plantas, todos as células detêm a capacidade de desenvolver uma planta inteira. Isto torna a inserção de transgenes mais simples que em animais. Os transgenes podem ser introduzidos em uma célula por biolística, na qual o DNA, adsorvido a partículas de ouro ou tungstênio, é introduzido na célula por aceleração da partícula via pressão ou até mesmo similarmente a um projétil de uma arma. Alternativamente, uma bactéria chamada Agrobacterium pode ser utilizada para carrear o transgene e transferi-lo para uma planta. Técnicas de cultura de tecido podem ser então utilizadas para propagar a célula modificada, que pode então se transformar em uma planta transgênica, ou seja, aquela que contém um transgene. Uma vez desenvolvida, a planta poderá produzir sementes e ser propagada. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 11 Como poderemos utilizar a tecnologia dos transgênicos? Incrementando a criação Utilizando a tecnologia dos transgênicos poderão ser obtidos animais maiores e com menos gordura, que crescem mais rápido utilizando menor quantidade de alimento, mais produtivos e mais resistentes a doenças. Alguns programas estão sendo realizados para obtenção de porcos com crescimento mais rápido, com menos gordura e mais resistente a doenças. Também existem programas para a produção de ovelhas que geram melhor lã, sem a necessidade de dieta suplementar de aminoácidos contendo enxofre. O bem estar dos animais, incluindo qualquer troca no metabolismo que pode causar problemas de saúde é considerado nestes programas. Tanto cientistas quanto órgãos que regulam estes programas examinam com detalhes qualquer alteração na composição da carne ou outros produtos que serão consumidos. Melhorando plantas A tecnologia dos transgênicos tem sido utilizada para plantas como arroz, algodão, soja, tomate, batata, repolho e alface. Novas variedades de plantas têm sido produzidas utilizando genes bacterianos e virais que conferem resistência a insetos e outras pestes ou permitem as plantas tolerar herbicidas específicos, tornando o herbicida mais seletivo em sua ação e permitindo aos agricultores utilizarem herbicidas menos agressivos e em menores quantidades. Uma nova variedade de algodão, por exemplo, foi desenvolvida e contém um gene da bactéria Bacillus thuringiensis para produzir uma proteína que é tóxica para certos insetos, mas não para humanos. A proteína codificada por este gene foi utilizada como pesticida “spray” por muitos anos. Estas plantas transgênicas permitem que menos pesticidas sejam utilizados nas culturas. Novos usos para plantas e animais transgênicos Utilizando a mesma abordagem que aquela utilizada a produção de insulina e hormônio de crescimento em bactérias, será possível desenvolver plantas e animais que produzem substâncias de interesse médico-farmacêutico. Já foram desenvolvidas vacas e ovelhas que produzem importantes hormônios e proteínas no leite. O custo de drogas assim produzidas pode ser muito inferior àquelas produzidas em microrganismos. Eventualmente poderá ser possível desenvolver plantas contendo amido e óleos modificados com interesse industrial. Da mesma forma, poderão ser produzidos plantas e animais produtores de anticorpos para diagnóstico na medicina e na agricultura. Com relação à indústria da floricultura, desde 1996 são produzidas flores com diferentes cores e estudos objetivando uma rosa azul estão sendo realizados. Vantagens sobre as tecnologias tradicionais As características desejáveis podem ser obtidas mais rapidamente que utilizando os procedimentos de melhoramento tradicionais. Além disso, as características desejáveis podem ser obtidas de maneira específica, diminuindo o número de características não desejáveis. Por outro lado, características que nunca poderiam ser obtidas em animais e plantas utilizando melhoramento tradicional, podem ser obtidas utilizando transgênicos. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 14 Biotecnologia em São Carlos Em São Carlos, vários laboratórios realizam pesquisas biotecnológicas. Alguns deles formaram um Centro, financiado pela FAPESP, para desenvolvimento de trabalhos em Biotecnologia. A seguir, apresentamos o Sumário Executivo do CBME (Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural). CENTRO DE BIOTECNOLOGIA MOLECULAR ESTRUTURAL Glaucius Oliva, diretor Rogério Meneghini, vice-diretor Richard C. Garratt, coordenador de inovação Leila M. Beltramini, coordenadora de divulgação Sumário Executivo O Centro de Biotecnologia Molecular Estrutural (CBME) é uma iniciativa conjunta resultante da existente colaboração científica entre pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) no Campus de São Carlos, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) em Campinas, e da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). O objetivo principal do CBME é realizar pesquisas e desenvolvimentos tecnológicos em todas as áreas da biotecnologia que dependam do Planejamento Molecular Baseado em Estruturas, particularmente na descoberta de novos compostos bioativos (fármacos, vacinas, pesticidas, herbicidas) e na engenharia de proteínas. Esta é hoje a tecnologia mais eficiente e de melhor relação custo/benefício para o desenvolvimento de novas drogas, podendo contribuir em todas as etapas do processo, desde a descoberta de compostos de partida, sua otimização (afinidade, especificidade, eficácia, efeitos colaterais) e aprovação pelos organismos competentes. É uma metodologia que se baseia na inibição ou estimulação da atividade biológica de macromoléculas, proteínas ou ácidos nucléicos (DNA e RNA), responsáveis por doenças. A Cristalografia de Proteínas, usando difração de raios-X, e a Ressonância Magnética Nuclear, são as técnicas de preferência, na medida em que podem elucidar a estrutura tridimensional molecular de proteínas alvo associadas às doenças em foco. Esta informação estrutural permite a descoberta e síntese de compostos complementares que podem se tornar potentes drogas especificamente dirigidas às doenças alvo. Para atingir este objetivo o CBME promove uma abordagem multidisciplinar integrada entre as técnicas de Biologia Molecular, Bioquímica, Biologia Estrutural (Cristalografia de Proteínas e de Moléculas Pequenas, Ressonância Magnética Nuclear, Técnicas Espectroscópicas, Modelagem Molecular de Fármacos e Vacinas, e Bio- informática), Radiação Síncrotron, Química Medicinal de Síntese Orgânica e Inorgânica e de Produtos Naturais, Imunologia Molecular, Biologia Celular e Farmacologia Os projetos do CBME são selecionados pelo seu foco e buscam máxima integração e parceria com os setores público e produtivo, particularmente indústrias Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 15 farmacêuticas nacionais e transnacionais, indústrias de biotecnologia, instituições de pesquisa em saúde humana e setor agropecuário. Em especial, a grande maioria dos projetos de pesquisa em andamento tem sido centrada no estudo de doenças infecciosas endêmicas no Brasil, como a doença de Chagas, leishmaniose, esquistossomose, malária, febre amarela, entre outras. Outro aspecto fundamental do CBME é seu compromisso com a disseminação do conhecimento e da informação relacionadas à Biologia Estrutural e Biotecnologia, para a sociedade em geral. Os progressos da Biologia Molecular, Engenharia Genética e Biotecnologia nos últimos anos tem sido extremamente rápidos e, por outro lado, a educação da opinião pública sobre estes temas tem sido muito lenta. Há uma marcante dicotomia entre os avanços da biotecnologia e o lento processo de compreensão geral dos conceitos modernos de que os genes são moléculas de DNA que codificam por proteínas, as quais, quando adequadamente enoveladas em estruturas tridimensionais, vão realizar sua função biológica específica. Assim, a visualização da estrutura tridimensional de proteínas, atrativas e artísticas por natureza, tem um forte impacto na compreensão do paradigma estrutura-função em biologia. Neste sentido o CBME promoverá diversas ações na disseminação do conhecimento em Biologia Molecular e Estrutural. Para maiores informações consulte o site do CBME em http://dart.if.sc.usp.br/CBME Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 16 Evolução da Biotecnologia Antes de 1750 Plantas usadas na alimentação. Animais utilizados na alimentação e para realizar trabalho. Plantas domesticadas e início de seleção de características desejáveis. Microrganismos utilizados para confecção de bebidas, queijos e pão. 1797 Edward Jenner Usou organismos vivos para proteger pessoas de doenças. 1750-1850 Incremento do cultivo de leguminosas e rotatividade de culturas. 1820 Máquinas movidas por animais Meados de1850 Aumento do número de ferramentas na agricultura. Alimentação animal processada industrialmente e utilização de adubo inorgânico. 1859 Charles Darwin “Animais mais resistentes são selecionados”. 1864 Louis Pasteur Provou a existência dos microrganismos e que todas as coisas vivas são produzidas por outras coisas vivas. 1865 Gregor Mendel Investigou como as características passam de geração à geração. Chamou de “fatores” os responsáveis. 1869 Johann Meischer Isolou DNA do núcleo de uma célula branca. 1890 Síntese de Amônia 1893 Koch, Pasteur, Lister Institutes Patente do processo de fermentação Isolada a antitoxina difteria. 1902 Walter Sutton Inventou o termo "gene" Propôs que os cromossomos contêm os genes (os “fatores” de Mendel) 1904 Desenvolvida a seda artificial 1910 Thomas H. Morgan Provou que os genes estão nos cromossomos. O termo "Biotecnologia" foi criado. 1918 Alemães Usaram acetona produzida por plantas para fabricar bombas Crescimento de leveduras em larga escala para animais 1920 Explosão da indústria de “Rayon” 1927 Herman Mueller Aumento da taxa de mutações em Drosófilas utilizando Raios-X. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 19 Seqüenciamento completo do genoma humano anunciado. Surgem novas perspectivas para a biotecnologia. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 20 Glossário de termos em Biotecnologia A Ácidos nucléicos Grandes moléculas, geralmente encontradas no núcleo das células e/ou citoplasma, formadas de unidades chamadas nucleotídeos. Os dois tipos de ácidos nucléicos são o DNA e o RNA. Aeróbico Que necessita de oxigênio para o crescimento. Agrobactéria Uma bactéria que contém um plasmídeo que é útil na transferência de material genético para plantas. Alelo Qualquer uma de possíveis formas alternativas de um gene. Amino ácidos Unidades constituintes das proteínas. Há 20 aminoácidos: alanina, arginina, asparagina, ácido aspártico, cisteína, ácido glutâmico, glutamina, glicina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, prolina, serina, treonina, triptofano, tirosina, e valina. Amplificação O processo de se conseguir várias cópias de um gene ou segmento cromossômico. Anaeróbico Que cresce na ausência de oxigênio. Antibiótico Substância química formada como um metabólico de bactérias ou fungos, usado para tratar infecções bacterianas. Podem ser produzidos naturalmente, usando microrganismos ou sintetizado quimicamente. Anticorpo Proteina produzida por humanos e animais superiores em respota a presença de antígenos específicos. Anticorpo monoclonal Anticorpo purificado, altamente específico, que é derivado de somente um clone de células e reconhece apenas um antígeno. Antigeno Uma substância que, ao ser introduza no corpo, induz a resposta imune por um anticorpo específico. Antisoro Soro do sangue contendo anticorpos contra um antígeno. Antissoros são usados para conferir imunidade para muitas doenças. Atenuado Enfraquecido, com referência a vacinas, feitas de organismos patogênicos que foram tratados de modo a não ser habéis para causar doenças. Autoimunidade Condição na qual o corpo desenvolve uma resposta imune contra seu próprio organismo ou tecidos. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 21 B Bacteriófago Vírus que infecta bactérias. Também chamado fago. Bactéria Organismo microscópico unicelular sem membrana interna (não possui organelas). Alguns são utilizados em manufatura de comida, outros são parasitas de outros organismos e alguns decompositores. Base nitrogenada Uma das quatro unidades químicas do DNA que, de acordo com sua ordem e pareamento, representam os diferentes aminoácidos. As quatro bases são: Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) e Timina (T). No RNA, a uracila substitui a timina. Biblioteca (genômica ou cDNA) Conjunto de genes ou fragmentos de DNA isolados e mantidos em vetores específicos (plasmídeos, fagos, etc...) Bioensaio Determinação da efetividade de um composto em animais, tecidos ou organismos, comparando com uma preparação padrão. Biocatalítico Em bioprocessamento, uma enzima ou microrganismo que ativa ou acelera uma reação química. Biochip Equipamento eletrônico que usa moléculas orgânicas para formar um semicondutor (atualmente também tem sido usado o termo para descrever conjuntos de fragmentos de DNA sintetizados em matriz sólida). Biodegradável Capaz de ser quebrado pela ação de microrganismos e enzimas. Biomassa A massa de material biológico (ex. micróbios ou plantas), comumente usada para referir para estoques de agricultura. Em microbiologia refere-se a massa de células de micróbios em estudos de crescimento. Biosensor Aparelho no qual sistemas de reconhecimento biológicos (enzimas, anticorpos), sao acoplados a microeletrônicos para tornar possível a detecção de baixos níveis de substâncias como açúcares e proteínas em fluídos corpóreos, poluentes em água e gases no ar. Biotecnologia Desenvolvimento de produtos usando um processo biológico, o que pode ser realizado usando organismos intactos (leveduras, bactérias, etc...), manipulados geneticamente, ou pelo uso de substâncias naturais de microrganismos (enzimas). C Calo Um conjunto de células não diferenciadas de uma planta que pode, em algumas espécies, ser induzido a formar uma planta inteira. Carcinogênico Agente causador de câncer. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 24 Grupo de linfocinas as quais induzem a maturação e proliferação de células brancas a partir de células primitivas presentes na medula. Fenótipo Características observáveis, resultantes da interação entre o genótipo e o ambiente. Fermentação Processo de crescimento de microrganismos para a produção de vários compostos químicos ou farmacêuticos. Micróbios são normalmente incubados sob condições específicas na presença de nutrientes em grandes tanques chamados fermentadores. Fotossíntese Estratégia utilizada pelas plantas para converter energia luminosa em energia química, a qual é então usada para dar suporte aos processos biológicos das plantas. Fungo Um organismo eucarioto que possui parede celular. Não podem realizar fotossíntese e se alimentam de matéria orgânica Fusão União da membrana de duas células, criando uma célula filha que contém o material nuclear das células parentais. Usada para fazer hibridomas. G Gene Um segmento do cromossomo responsável pela codificação de uma proteína ou de RNA com função dentro da célula (ex. RNA transportador, ribossômico, etc...). Gene estrutural Um gene que codifica para uma proteína, tal qual uma enzima. Gene regulatório Um gene que atua no controle atividade de outros genes. Genética Molecular Estudo de como os genes funcionam e controlam o funcionamento celular. Genoma O material hereditário total de uma célula, compreendendo todo o conjunto de cromossomos encontrado no núcleo de uma espécie. Genótipo Características genéticas de um indíviduo. Germoplasma A variabilidade genética total, representada por células germinativas ou sementes, avaliável para uma população de organismos em particular. H Haplóide Uma célula que possui a metade do número usual de cromossomos ou apenas um conjunto de cromossomos. Hereditariedade Transferência da informação genética de pais para a sua progênie. Hibridização Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 25 Produção de uma prole de híbridos a partir de parentais não similares. O processo pode ser usado para produzir plantas híbridas (pelo cruzamento de duas variedades diferentes) ou hibridomas (células híbridas formadas pela fusão de duas células diferentes, usadas para produzir anticorpos). O termo também é usado para se referir à ligação de fitas complementares de DNA ou RNA.. Hibridoma Célula produzida pela fusão de duas células de diferentes origens. Na tecnologia de anticorpos monoclonais, hibridomas são formados pela fusão de uma célula imortal (que se divide continuamente) e uma célula que produz um anticorpo. Homólogo Correspondente em estrutura, posição ou origem (principalmente esta última). Hormônio Um composto, podendo ser um peptídeo, que atua como um mensageiro, liberando instruções para que se comece ou pare certas atividades fisiológicas. Hormônios são sintetizados em um tipo de célula e então liberados para atuar em outros tipos celulares. Hormônio de Crescimento (Somatotropina) Uma proteína produzida na glândula pituitária (hipófise) e que é envolvida em crescimento celular. Hormônio de crescimento humano é usado para tratar nanismo. Vários hormônios de crescimento animais são utilizados para incrementar a produção de leite bem como para produzir um tipo de carne com menor teor de gordura. Hospedeiro Uma célula ou organismo usado para crescimento de um vírus, plasmídeo, ou outra forma de DNA exógeno, ou para produção de substâncias clonadas. I Imunidade Não susceptibilidade a doenças ou efeitos tóxicos de um material antigênico. Imunidade ativa Um tipo de imunidade adquirida para uma doença ou por ter portado a doença ou ter recebido uma vacina contra ela. Imunoensaio Técnica para identificar substâncias através de anticorpos. Imunodiagnóstico O uso de anticorpos específicos para dosar uma substância. Esta ferramenta é útil para diagnóstico de doenças infecciosas e a presença de substâncias estrangeiras em uma variedade de fluídos animais (sangue, urina, etc...). Esta sendo investigado o uso para localizar células tumorais no corpo. Imunogênico Qualquer substância que pode estimular uma resposta imune. Imunoglobulina Nome geral para proteínas que funcionam como anticorpos. Imunologia Estudo de todo fenômeno relacionado com a resposta do corpo a um antígeno apresentado (ex. imunidade, sensibilidade e alergia). Imunotoxina Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 26 Anticorpos monoclonais que tem uma molécula tóxica agregada. A molécula é direcionada contra uma célula tumoral e a toxina é responsável pela morte da célula. Interferon Uma classe de proteínas importantes na resposta imune. Interferons inibem infecções virais e podem ter propriedades anti-câncer. Intron Em eucariotos, uma seqüência de DNA que é contida no gene mas não codifica para proteína. É retirado do RNA recém sintetizado pelo mecanismo de “Splicing”. In vitro Literalmente, “in vidro”. Realizado em um tubo de teste ou outro recipiente de laboratório. In vivo No organismo vivo. L Leucócito Célula branca do sangue, linfa e tecidos que é um componente importante na resposta imune. Ligase Uma enzima que liga segmentos de DNA ou RNA, sendo chamadas DNA ligases e RNA ligases respectivamente. Ligação (Linkage) A tendência de certos genes de ser herdados juntos devido a uma proximidade física no cromossomo. Linfócitos B (B-cells) Uma classe de linfócitos liberados da medula, a qual produz anticorpos. Linhagem celular Células que crescem e replicam continuamente for a do organismo vivo. Linfocina Uma classe de proteínas solúveis, produzidas por células brancas do sangue, que desempenham um papel na resposta imune. Lise Quebra de células em partes. M Mapeamento Gênico Determinação da posição relativa de um gene no cromossomo. Meio de cultura Qualquer sistema de nutrientes para o cultivo de bactérias ou outras células; usualmente é uma mistura complexa de materiais orgânicos e inorgânicos. Meiose Processo de divisão da célula no qual a célula filha possui metade do número de cromossomos da parental. Células sexuais são formadas por este processo. mRNA (RNA mensageiro) Ácido, nucléico, fita simples, que carrega a instrução para o ribossomo sintetizar uma proteína em particular. Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 29 O DNA formado pela combinação de segmentos de DNA de diferentes tipos de organismos.. Replicação Reprodução ou duplicação de uma cópia exata de uma fita de DNA. Repressor Uma proteína que liga a um operador adjacente a um gene estrutural, inibindo a transcrição deste gene. Retrovirus Vírus de RNA que contém a enzima transcriptase reversa. Esta enzima converte o RNA viral em DNA, o qual combina-se com o DNA da célula e promove a síntese de mais partículas virais e RNA para os novos vírus. Ribossomo Um componente celular, contendo proteína e RNA, envolvido (e essencial) na síntese de proteínas. Ribozima Uma enzima feita de RNA ao invés de proteína. Ribozimas desenhadas podem cortar as moléculas de RNA em pontos específicos são conhecidas como “tesouras gênicas”. RNA (ácido ribonucléico) Uma molécula similar ao DNA, porém simples fita, que funciona primariamente para decodificar instruções para a síntese de proteínas contidas nos genes. S Seqüência de DNA A ordem de bases na molécula de DNA. Seqüenciamento de DNA Determinação da seqüência de bases do DNA. Sistema vetor-hospedeiro Combinação de uma célula que recebe o DNA (hospedeira) e uma substância transportadora de DNA (vetor) usada para introduzir DNA exógeno em uma célula. Sistema imune A agregação de células, substâncias biológicas (anticorpos), e atividades celulares que juntos dão resistência a um organismo. Sonda de DNA DNA marcado com isótopo radioativo, corante ou enzima, e que é utilizado para localizar uma seqüência particular de nucleotídeos ou um gene na molécula de DNA. Splicing Remoção dos introns e ligação de éxons para formar uma seqüência contígua no RNA. Substrato Molécula ou material que sofre ação de uma enzima. Supressor (gene) Um gene que pode reverter o efeito de uma mutação em outros genes. T Terapia gênica Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 30 A substituição de um gene defeituoso em um organismo que sofre de uma doença genética. Técnicas de DNA recombinante são utilizadas para isolar o gene e inseri-lo em humanos. Template Uma molécula que serve como molde para síntese de outra. Terapêuticos Compostos que são usados para tratar doenças específicas. T-cells (linfócitos T) Glóbulos brancos que são produzidos na medula mas maturados no timo. Eles são importantes nas defesas do corpo contra certas bactérias e fungos; ajudam os linfócitos B a fazer anticorpos e ajudam no reconhecimento e rejeição de tecidos estranhos. Linfócitos T podem ser importantes na defesa contra o câncer. Toxina Uma substância tóxica produzida por certos microrganismos. Transcrição Síntese do RNA mensageiro (ou qualquer outro) utilizando como molde o DNA. tRNA (RNA transportador) Molécula de RNA que carrega aminoácidos para sítios nos ribossomos para síntese das proteínas. Transformação Alteração na estrutura genética de um organismo pela incorporação de um DNA exógeno. Transgênico (organismo) Um organismo formado pela inserção de um material genético na linhagem germinativa de organismos. Técnicas de DNA recombinante são comumente utilizadas para produzir organismos transgênicos. Tradução Processo pelo qual a informação contida no RNA mensageiro é usada para dirigir a síntese de uma proteína. V Vacina Uma preparação que contém um antígeno consistindo no organismo inteiro (morto ou atenuado) ou partes deste organismo, usado para causar imunidade contra uma doença que este organismo causa. Vacinas podem ser naturais, sintéticas ou derivadas da tecnologia do DNA recombinante. Vetor O agente (plasmídeo ou virus) usado para transferir DNA para uma célula. Virion Uma partícula viral elementar consistindo de material genético e uma capa protéica. Virulência Habilidade de infectar e causar doença. Vírus Um organismo sub-microscópico que contém informação genética mas não consegue se reproduzir autonomamente. Para replicar, ele deve invadir uma célula e usar parte da sua maquinaria reprodutiva. W Fundamentos em Biotecnologia Centro de Biotecnologia Molecular e Estrutural – CBME (CEPID-FAPESP) 31 Wild type (tipo selvagem) A forma de um organismo que ocorre mais frequentemente na natureza. Y Levedura Termo geral que descreve fungos unicelulares que se reproduzem por brotamento. Algumas leveduras podem fermentar carboidratos (amido e açúcar), sendo muito importantes na fabricação de pães e outros alimentos. Bibliografia de Importância 1. Micklos, D.A. & Freyer, G. A., DNA Science: A First Course in Recombinant DNA Technology. Cold Spring Harbor Laboratory & Carolina Biological Supply Company. 477 pp. Available from: Cabisco Biotechnology, 2700 York R., Burlington, NC 27215; 800-334-5551 or 800-632-1231 (NC only). 2. NABT Sourcebook of Biotechnology. 3. Bud, Robert, "Janus-faced Biotechnology - An Historical Perspective", Trends in Biotechnology v. 7, 1989, p. 230-33. 4. Torrey, John G., "The Development of Plant Biotechnology", American Scientist, 1985, 73:354-363. 5. Goodman, David C., From Farming to Biotechnology: A Theory of Agro- industrial Development Oxford: Blackwell, 1987. 6. Seabrook, John, "Tremors in the Hothouse", The New Yorker July 19, 1993 p. 32-41.