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Biologia Sintética

CONCEITOS

Ainda que a definição precisa de biologia sintética esteja sujeita a diferentes interpretações, a identidade comum do campo se baseia no uso de técnicas e ferramentas de biologia molecular para projetar e engenheirar o comportamento celular. Muitos dos trabalhos fundamentais para o desenvolvimento da área foram realizados em microrganismos modelo como a bactéria Escherichia coli e a levedura Saccharomyces cerevisiae. Estes ainda permanecem centrais em diversas pesquisas, comumente utilizados como chassi - organismos que recebem componentes genéticos através de técnicas de DNA recombinante.

O campo reúne engenheiros e biólogos para projetar e construir novos componentes biomoleculares, redes e caminhos metabólicos, e usar estes para religar e reprogramar organismos. Ainda, nos estágios iniciais do campo, três conceitos principais foram apontados como os mais relevantes: padronização, desacoplamento e abstração de partes e circuitos biológicos; os quais ajudariam a tornar rotineira a engenharia de sistemas biológicos sintéticos. Integrando abordagens de modularização, racionalização e modelagem, a área tem progredido rapidamente, gerando um crescente conjunto de dispositivos genéticos e módulos biológicos.

Outro conceito intrínseco à biologia sintética é o Design-Build-Test-Learn Cycle - DBTL, usado na engenharia de sistemas biológicos, em especial na competição iGEM (International Genetically Engineered Machines). O ciclo começa com o design do projeto, onde princípios de engenharia são usados para especificar e modelar a função pretendida do sistema biológico. Em seguida, passa-se para a construção (build), onde a sequência de DNA desejada - que codifica uma parte do ou todo o sistema - é construída e introduzida em um chassi, frequentemente o organismo alvo. O sistema é então testado (test) e analisado (aprendizado - Learn) para desenvolver modelos e parâmetros para aprimorar o projeto. Estes modelos são usados no (re)design do projeto inicial otimizado, continuando o ciclo DBTL.

APLICAÇÕES

De maneira geral, a capacidade de projetar seres vivos representa uma mudança fundamental na maneira como os humanos interagem com a vida do planeta. A biologia sintética permite a fabricação e melhoramento de produtos antes difíceis de se obter, agora fármacos, combustíveis, tecidos, alimentos e fragrâncias podem ser construídos molécula por molécula. Em 2020, a biologia sintética completou duas décadas, sendo um dos tópicos de pesquisa que apresentam maior tendência em publicações neste século. Enquanto na primeira década muitos grupos ainda dependiam da competição iGEM para obter partes de DNA e montar sistemas por clonagem em série, hoje novas tecnologias de edição de genes e métodos de clonagem auxiliam no desenvolvimento da área.

No campo da saúde humana, a biologia sintética é aplicada na identificação de mecanismos de doenças e alvos para tratamento, podendo ainda ser usada para o desenvolvimento e entrega de compostos terapêuticos programados para patógenos específicos. Bactérias probióticas engenheiradas são desenvolvidas para detectar câncer ou usadas na área terapêutica. Ainda, a construção e otimização de caminhos metabólicos sintéticos têm sido usadas como estratégias de sucesso para obtenção de fármacos e materiais por via biológica. Na área de bioenergia, organismos engenheirados são usados para otimizar a conversão de biomassa para produção de biocombustíveis. Em ambos os contextos, a engenharia metabólica é utilizada como aliada, trazendo uma visão sistêmica das vias metabólicas e abordagens para seu funcionamento ideal.

Com a diminuição no custo de síntese de genes e o aumento no uso da computação de alta performance, os focos de pesquisa também evoluíram. O DNA vem sendo explorado como uma ferramenta para armazenar dados, como um “gravador molecular”, por empresas de síntese de genes como a Twist Biosciences. Ainda, nota-se uma tendência no estabelecimento de biofoundries, instalações integradas de biologia molecular com alta produtividade, focadas em automatizar e acelerar o desenvolvimento da biologia sintética em larga escala.