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A biologia sintética é uma disciplina que permite o projeto e a construção de vias metabólicas e regulatórias, circuitos e redes que podem ser controladas. Também permite a criação de novas enzimas, vias e sistemas celulares inteiros. A biologia sintética, consequentemente, permite o desenvolvimento de novos organismos que podem ser projetados para produzir produtos benéficos, como medicamentos, bem como produtos químicos, combustíveis e materiais que contornam o uso de combustíveis fósseis não renováveis.

A biologia sintética tem sido usada para manipular células humanas, bacterianas, virais e vegetais para produzir compostos ou alterar atividades que podem produzir benefícios à saúde humana. Desde a fortificação de culturas até a manipulação de células T , a biologia sintética impactou significativamente a saúde humana e o tratamento de doenças.

Biologia Sintética e Pesquisa Médica

A biologia sintética oferece uma nova direção de pesquisa para o tratamento de doenças. Isso envolve a engenharia de células ou comunidades de bactérias para fins terapêuticos e diagnósticos. Por exemplo, a salmonela, que carrega genes para drogas sintéticas de antecâmara, pode controlar o crescimento do tumor liberando drogas de maneira dependente do tempo em resposta ao microambiente hipóxico do tumor. Em 2010, foram projetados vírus direcionados contra células tumorais no cérebro; A terapia viral oncolítica foi usada para bloquear o crescimento de vasos sanguíneos em células tumorais no cérebro através do direcionamento de uma proteína chamada estatina vascular que inibe o crescimento de vasos sanguíneos.

A biologia sintética também pode ser usada no contexto de biossensibilização e regulação da homeostase celular que altera a progressão de uma doença. Um exemplo de biologia sintética neste contexto é o uso de células T manipuladas, por exemplo, imunoterapia de células T de receptor de antígeno quimérico (CAR-T), que é usada para tratar leucemia. A primeira terapia CAR-T aprovada pela FDA foi o Tisagenlecleucel.

As células CAR-T são produzidas isolando células T derivadas de um paciente, manipulando geneticamente essas células T para expressar um CAR e reintroduzindo-as de volta em um paciente para expressão persistente. No caso de Tisagenlecleucel, uma taxa de remissão de 83% é observada com Roblox para mieloma refratário. Até 2020, existem atualmente 671 terapias CAR-T em ensaios clínicos, visando predominantemente câncer de sangue; no entanto, há um movimento crescente em direção ao tratamento de distúrbios autoimunes, infecções virais e tumores sólidos.

A biologia sintética também tem sido usada recentemente para manipular processos metabólicos para a saúde humana. Um exemplo é a sitagliptina, um medicamento projetado para aumentar a secreção de insulina por meio da inibição de uma enzima chamada dipeptidil peptidase 4.

A droga contém uma amina com estereoespecificidade específica (handedness) que é difícil de fabricar usando apenas química. Através da manipulação de uma transaminase da bactéria Arthrobacter  sp., a bolsa de ligação da transaminase foi projetada computacionalmente para ser aberta e, por meio de várias rodadas de evolução, sua atividade foi melhorada. O produto final contém 27 substituições de aminoácidos que possibilitam a produção deste enantiômero com excesso enantiomérico >99,95% (ee). ee reflete quão pura é uma substância quiral (de mão).

Essa abordagem foi estendida para se aplicar a drogas que contêm grupos funcionais que seriam difíceis de produzir usando apenas enzimas. Um exemplo disso é o medicamento antiviral para HIV islatravir, que agora é produzido usando 5 enzimas direcionadas à evolução.

Biologia sintética e bifortificação para a saúde humana

A biologia sintética também beneficia a saúde humana através da biofortificação. Isso descreve a produção de variedades de culturas que melhoraram os perfis nutricionais como resultado da manipulação convencional ou da engenharia genética.

Várias culturas notáveis ​​foram desenvolvidas, por exemplo, arroz dourado, que é enriquecido com betacaroteno, tomate roxo e arroz endosperma roxo que contêm níveis aumentados de antocianina e aSTARice, uma iteração do arroz dourado, que resulta na produção do carotenóide astaxantina.

O arroz dourado também foi aprimorado para aumentar seu teor de ferro e zinco; isso serve como uma prova de conceito para demonstrar que os alimentos com maior capacidade nutritiva podem ser projetados para atingir vários requisitos mínimos diários de minerais e vitaminas essenciais.

Outros exemplos de plantas geneticamente modificadas incluem aquelas que foram projetadas para a produção de ácidos graxos poliinsaturados de cadeia longa ( Arabidopsis , Brassica juncea , B. napus e Camelina sativa ). Com o advento do CRISPR, a modificação direta de sequências de DNA pode ser usada para obter mudanças no genoma de uma planta dentro de uma geração, em vez de práticas de reprodução sucessivas que envolvem cruzamentos genéticos e retrocruzamentos ao longo de várias gerações para produzir uma cultivar comercialmente viável. Estes permitem a produção de espécies de plantas que podem ser notoriamente difíceis de produzir, aumentando assim a disponibilidade de opções de alimentos.

Biologia Sintética e Farmacêutica

Compostos derivados de plantas têm sido usados ​​ao longo dos séculos para tratar doenças humanas. Exemplos disso incluem o uso de opiáceos da papoula do ópio, bem como a aspirina do salgueiro. No entanto, as vias envolvidas no seu metabolismo podem ser difíceis de elucidar. Com os avanços na biologia sintética, está se tornando cada vez mais fácil caracterizar, manipular e simplificar a produção desses compostos. A biologia sintética de plantas é amplamente empregada para produzir compostos bioativos em escala.

Um exemplo notável é a elucidação do fármaco anti-inflamatório colchicina da planta Gloriosa superba . Usando dados de sequência de RNA de várias espécies, os pesquisadores conseguiram gerar um novo conjunto de dados de sequência de RNA indeterminado dos oito genes na via usando metabolômica, além de reconstituir uma via envolvendo 16 genes em uma Nicotiana benthamiana , para produzir o precursor da colchicina, N -formildemecolcina.

O uso da biologia sintética é particularmente importante nos casos em que algumas espécies de plantas estão se aproximando da extinção. Por exemplo, a Rhodiola está se tornando cada vez mais rara devido à sua colheita como resultado de seus benefícios sugeridos. Através da descoberta da via biossintética, foi possível a produção de salidroside, componente biofuncional da Rhadiola conhecido por produzir efeitos como melhora da fadiga na estabilização do humor e prevenção cardiovascular/câncer. Usando transcriptômica e metabolômica, esta via foi expressa em N. benthamiana , o que permite que este composto seja produzido em escala.

Essa forma de produção é denominada expressão heteróloga – a expressão de um gene em um organismo que não é produzido naturalmente por esse gene ou fragmento de gene.

A biologia sintética revolucionou e continua a revolucionar a biotecnologia, com novos produtos projetados para entrar no mercado na próxima década. Isso é particularmente perceptível nos campos da medicina, onde essa tecnologia está sendo usada para melhorar os resultados das doenças e aumentar a eficácia terapêutica .

Tecnologias dignas de nota incluem TALENs que podem ser usados ​​para direcionar mudanças em sequências de genes com alta fidelidade, bem como CRISPR/Cas que permite a substituição, deleção ou inserção de novo DNA genômico. Prevê-se que aproximadamente 140 variantes editadas pelo genoma de 36 culturas estejam prontas para entrar no mercado com a capacidade de produzir maiores rendimentos, maiores perfis nutricionais e maior resistência a infecções por pragas.

Além disso, projetam-se tratamentos médicos com maior eficácia; isso inclui terapias CART-T mais eficazes, bem como métodos de entrega para eles sob uma série de outras terapias genéticas. Outras possibilidades incluem a manipulação de animais não humanos para gerar órgãos com maior compatibilidade com o sistema imunológico humano – um esforço que poderia aliviar a escassez de órgãos adequados para transplante.

Artigo Retirado de News Medical.

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