A biologia sintética , ou biologia sintética, é uma ciência e biotecnologia emergente que combina biologia e princípios de engenharia a fim de projetar e construir ("sintetizar") novas funções e sistemas biológicos, com aplicações particulares desenvolvidas pela agro-farmacêutica, química, agricultura e setores de energia.
Os objetivos da biologia sintética são de dois tipos:
Em sua fase atual, a biologia sintética visa acima de tudo tornar a engenharia biológica mais simples e rápida, mais acessível e menos cara por meio do uso extensivo de princípios de engenharia ( padronização , automação , projeto auxiliado por computador , etc.) que provaram seu valor em outros mais campos maduros, como engenharia civil ou eletrônica . Para fazer isso, deve atender aos desafios de engenharia específicos para o "substrato biológico", quando os princípios de funcionamento dos sistemas biológicos ou da evolução ainda não são totalmente compreendidos.
Modificar coisas vivas ou desviar delas certas funções também levanta novas e complexas questões filosóficas e éticas . Em particular sobre o fato de saber se é possível ou desejável assimilar seres vivos a " máquinas " e com quais consequências, ou quanto à questão da patenteabilidade de seres vivos ou seus produtos, e mais geralmente da propriedade intelectual aplicada aos seres vivos .
Os métodos da biologia molecular e, de maneira mais geral, os conceitos que orientam a engenharia genética quase não mudaram desde os anos 1970, limitando a construção de circuitos genéticos complexos e tornando todo projeto de engenharia genética hercúleo. Além disso, nenhuma estratégia geral de investimento em tecnologias básicas que permitissem a fabricação rápida e confiável de componentes genéticos a baixo custo ou o estabelecimento de bibliotecas de componentes biológicos amplamente caracterizados que pudessem ser reutilizados de forma genérica foi implementada. Como resultado, a engenharia genética ainda era parecida com o artesanato, em vez de uma verdadeira ciência da engenharia. Os conceitos-chave de padronização dos componentes biológicos usados, de “abstração hierárquica” e “desacoplamento” devem permitir o uso desses componentes em sistemas sintéticos cada vez mais complexos .
No final dos anos 90, alguns cientistas da computação que se voltaram para a biologia, como Tom Knight , do MIT , ficaram frustrados com a falta de organização e método da área. Inspirando-se em outras ciências da engenharia, Knight introduziu o conceito de um componente biológico padrão criando Bio-Bricks (em inglês, BioBricks ), componentes biológicos com várias funções que podem ser montados por um protocolo padronizado. Durante o mesmo período, na Universidade de Berkeley, Roger Brent, Robert Carlson, Drew Endy e Adam Arkin, entre outros, lançaram as bases para o que então chamaram de biologia “intencional” ou “construtiva”, que se tornaria biologia. Ao contrário da engenharia genética contemporânea, que consideram ser predominantemente aleatória, eles defendem uma abordagem racional inspirada em métodos mais maduros da ciência da engenharia para o projeto e construção de sistemas biológicos com funções previsíveis, de forma robusta. Posteriormente, o IGEM configura uma plataforma colaborativa em forma de biblioteca, o Registo de elementos de biologia sintética .
O congresso Synthetic Biology 1.0 realizado no MIT em 2004 marcará a certidão de nascimento “oficial” da biologia sintética contemporânea.
Os geneticistas investigaram o menor organismo conhecido que pode ser cultivado como uma linhagem pura em um ambiente sem estresse que fornece os nutrientes necessários. Isso era necessário para poder estudar, reproduzir (e possivelmente usar ou patentear) um genoma que correspondia aproximadamente ao conjunto mínimo de genes essenciais para a vida e reprodução de uma bactéria.
A bactéria que melhor atendeu a esses critérios na época foi a Mycoplasma genitalium, cujo genoma (482 genes codificadores de proteínas, com 580 kb) também era o menor conhecido entre todas as espécies conhecidas e cultiváveis.
Seu genoma também apresenta pouca redundância genômica e essa bactéria ( parasita obrigatório com nicho ecológico restrito) tem metabolismo mínimo e estava começando a ser bastante conhecida.
Os genes essenciais do genoma dessa bactéria foram identificados a partir do final da década de 1990: dos 482 genes que codificam proteínas, 382 são essenciais; para 28% deles a função da proteína codificada é desconhecida. A interrupção de alguns acelerou o crescimento das bactérias.
Em 2010, o iSSB ( Instituto de Sistemas e Biologia Sintética ) foi o primeiro laboratório de investigação em biologia sintética com a ajuda da Genopole, da Universidade de Évry-Val-d'Essonne e do CNRS.
Em 2010, o mSSB ( mestre em Sistemas e Biologia Sintética ) foi o primeiro mestre em Biologia Sintética (Universidade Paris-Saclay e Universidade Evry-Val-d'Essonne).
Um site “Biologia Sintética” foi inaugurado pelo governo em 2011, que promove este aspecto da biologia, logo após um relatório do OPECST focado na viabilidade de certas aplicações que se relacionam em particular com “os desafios da governança, eles tocam respectivamente em diametralmente opostos posições sobre avaliação e gestão de riscos, sobre a adequação do direito de propriedade intelectual e patentes, sobre a questão da oportunidade de um debate público - em particular sobre a aceitação social destes avanços - e os problemas de formação e financiamento da investigação ”
É no seguimento das recomendações de dois relatórios mais recentes que o observatório de biologia sintética foi criado para responder à preocupação do Ministério do Ensino Superior e Investigação de acompanhar o desenvolvimento da biologia de síntese e promover a realização de um debate equilibrado e fundamentado no seu interior. sociedade.
Biólogos que procuram conhecer o funcionamento dos sistemas vivos naturais, alguns propuseram verificar sua compreensão atual dos seres vivos para construir uma cópia sintética (ou uma versão) de um sistema vivo . O trabalho pioneiro de Michael Elowitz em repressiladores é um exemplo de tal abordagem: Elowitz havia projetado um modelo matemático de como um oscilador genético funciona em células vivas. Para verificar isso, ele construiu uma molécula de DNA contendo o circuito de acordo com seu modelo, colocou-a em uma bactéria e analisou o comportamento do circuito. Ligeiras diferenças entre o que ele esperava e o que observou destacaram que valia a pena criar uma nova disciplina científica. Esse trabalho usa muita matemática para prever e modelar a dinâmica dos sistemas biológicos antes de reconstruí-los ou construir novos experimentalmente. Uma ampla gama de métodos matemáticos tem sido usada com precisão variável, sendo os mais amplamente usados para descrever as interações entre moléculas e reações enzimáticas as equações diferenciais ordinárias e as equações diferenciais estocásticas . A teoria dos grafos e redes Booleanas também foram utilizadas. Alguns exemplos convincentes incluem as obras de Adam Arkin e Alexander van Oudenaarden; veja também a edição especial da PBS Nova sobre vida artificial.
Os engenheiros da área de biotecnologia veem a biologia como uma tecnologia básica. A biologia sintética inclui uma ampla redefinição e extensão da biotecnologia, com o objetivo de ser capaz de projetar e construir sistemas biológicos fabricados que processam informações, manipulam elementos químicos, produzem energia ou (novas moléculas) polímeros, alimentos, drogas ...) susceptíveis de melhorar o meio ambiente ou até mesmo os humanos. Um dos aspectos que distinguem a biologia sintética da engenharia genética convencional é seu forte foco no desenvolvimento de tecnologias fundamentais que tornam a engenharia biológica mais fácil e confiável.
Nos anos 2000-2010, três maneiras de fazer algo novo na vida ( design metabólico para falantes de inglês) pareciam biotecnologicamente possíveis:
Do ponto de vista da química orgânica, os sistemas biológicos são sistemas físicos constituídos por materiais químicos. Cerca de cem anos atrás, a química mudou do estudo de materiais químicos naturais para o projeto e desenvolvimento de novos materiais químicos. Essa transição inaugurou o campo da química sintética . Na mesma linha, alguns aspectos da biologia sintética podem ser vistos como uma extensão e aplicação da química sintética à biologia, e incluem trabalhos que vão desde a criação de novos materiais bioquímicos ao estudo das origens da vida. Grupos de Eric Kool (in) em Stanford , de Steven A. Benner (in) na University of Florida a Carlos Bustamante (in) em Berkeley e Jack Szostak em Harvard são bons exemplos dessa tradição. Exemplos de biologia sintética incluem o trabalho pioneiro de Tim Gardner e Jim Collins (in) na construção de um switch geneticamente codificado, a competição internacional da GM baseada no registro de peças biológicas padronizadas ou maquinários "biobricks".
Engenharia metabólicaUma aplicação emblemática da biologia sintética é a construção de vias metabólicas responsáveis pela síntese de compostos de interesse, como drogas, biocombustíveis ou polímeros. Um bom exemplo é o trabalho do laboratório de Denis Pompon no CNRS na França, que foi o primeiro a transferir com sucesso uma via metabólica dos mamíferos para a levedura: a via para a biossíntese da hidrocortisona a partir de um açúcar simples no meio de cultura da levedura retrabalhada por integrando aí oito genes de mamíferos envolvidos na via de biossíntese do hormônio esteróide e modificando quatro genes de levedura para eliminar as reações parasitárias induzidas pela introdução e expressão desses genes estranhos. Oito anos depois, Jay Keasling, da Universidade de Berkeley, reconstituiu na levedura a via de síntese de um composto antimalárico, a artemisinina, integrando os genes das enzimas da planta que produz a substância na natureza. Christina Smolke modificou leveduras em 2014 “ enxertando”-as com um gene de transformação de reticulina sintética , construído a partir de extratos de sequência de DNA de 23 outros organismos, para transformá-las em produtores de opióides.
Reescrita genética" Reescritores " são biólogos sintéticos que desejam verificar a ideia de que, uma vez que os sistemas biológicos naturais são tão complicados e não necessariamente ótimos, eles fariam melhor reconstruir o sistema natural em que estamos interessados a partir do zero, a fim de fornecer substitutos projetados (substitutos artificiais) que são mais fáceis de entender e com os quais interagir mais facilmente. Eles se inspiram no retrabalho , um procedimento às vezes usado para melhorar o software. Drew Endy e seu grupo fizeram alguns trabalhos preliminares na reescrita. Os oligonucleotídeos colhidos de um chip de DNA fabricado por fotolitografia ou jato de tinta de chip de DNA combinados com correções de erro de DNA permitem mudanças de códons em larga escala em sistemas genéticos para melhorar a expressão gênica ou incorporar aminoácidos. Como no exemplo de T7 acima, isso favorece uma abordagem ex nihilo para a síntese.
Avanços na reescritaEm 2019, vários artigos sobre a reescrita foram publicados, incluindo um sobre a síntese de quatro bases artificiais que podem se encaixar no DNA sem perturbar sua estrutura termodinâmica e outro sobre toda a recodificação da E. coli .
A síntese do Hachimoji tem sido capaz de demonstrar que a natureza possui várias formas de fazer DNA e de armazenar e transmitir informações genéticas. Pesquisadores no Japão realizaram vários experimentos demonstrando que a adição dessas bases não perturba a estrutura do DNA e que as sequências que contêm essas bases podem sofrer uma certa taxa de mutação e, portanto, podem evoluir como qualquer outra sequência de DNA. Além disso, esta adição artificial também possibilita aumentar potencialmente a densidade da informação contida em uma molécula de DNA, (com mais bases disponíveis há mais opções de combinações e, portanto, mais informações podem ser encontradas no mesmo espaço) o que poderia resultar em formas de vida ainda mais complexas. Particularmente interessante para áreas como a astrobiologia , esta síntese permite ampliar os critérios de busca por vida extraterrestre .
A recodificação do genoma completo da bactéria E. coli pretendia demonstrar que um organismo não precisa de 64 códons (a maioria dos quais são redundantes) para ser funcional. Os pesquisadores então reescreveram todo o genoma, mas usando apenas 61 códons, o que libera 3 códons já existentes no corpo que podem ser usados para codificar aminoácidos sintéticos e, portanto, a criação de novas proteínas. Este estudo mostrou então que é possível aproveitar a redundância já existente no código genético para integrar aminoácidos artificiais e que a simplificação do genoma não afeta a sobrevivência do organismo.
Exemplos de aplicaçõesNovos objetivos da biologia sintética aplicada: A mídia e a literatura especializada citam em particular:
Essa engenharia se apresenta como capaz de contribuir, talvez, para atender aos principais desafios ambientais, como mudanças climáticas , falta de água limpa, agricultura e silvicultura otimizadas, mas os organismos sintéticos também podem representar um alto risco para os ecossistemas naturais e para a saúde pública.
Os sistemas vivos de fato mostram fortes capacidades de adaptação e mutação. A produção de formas de vida artificiais, ou processos metabólicos desconhecidos na natureza, exige, portanto, cautela e a aplicação do princípio da precaução . Em termos de biossegurança , os promotores da biologia sintética geralmente propõem combinar pelo menos três tipos de fechaduras ;
Nas atuais condições científicas e técnicas, nenhuma dessas três “travas” por si só oferece proteção absoluta, certa ou definitiva, pois não se podem excluir adaptações inesperadas após mutações espontâneas, ou troca de genes com outros organismos selvagens, artificiais ou modificados. Segundo os promotores de seu uso, a combinação dessas três barreiras poderia reforçar a segurança diante dos fenômenos de adaptação biológica (um pouco como uma terapia tripla , mas mesmo a terapia tripla tem seus limites, já que uma variante aparentemente resistente do vírus HIV / AIDS apareceu rapidamente na América do Norte após a terapia tripla desenvolvida para bloquear as adaptações desse vírus de RNA , que, como o da gripe, continua a sofrer mutações).
Novas aplicações biotecnológicas incorporam cada vez mais precauções , porque as adaptações recentes e às vezes espetaculares de muitos micróbios aos antibióticos , de plantas a herbicidas, fungos a fungicidas, insetos a inseticidas) e os crescentes e persistentes problemas nosocomiais mostraram ou confirmaram as poderosas capacidades evolutivas e adaptativas dos vivos. Além disso, a contenção total raramente pode ser garantida, especialmente se esses usos se tornarem generalizados.
Isso inclui técnicas de leitura e escrita de DNA (sequenciamento e fabricação), cujos preços e desempenho estão melhorando exponencialmente (Kurzweil, 2001).
Medições precisas do comportamento de sistemas sintéticos (sob várias condições) também são necessárias para a modelagem e controle precisos de sistemas biológicos.
O projeto e a modelagem auxiliados por computador (CAD, etc.) também estão no cerne da biologia sintética.
Os biólogos sintéticos usam métodos de sequenciamento de DNA de várias maneiras: primeiro, usando os resultados do sequenciamento do genoma em grande escala, que é uma riqueza de informações sobre organismos que ocorrem naturalmente. Biólogos sintéticos derivam modelos e moléculas deles que os ajudam a construir componentes biológicos e circuitos genéticos. Os biólogos sintéticos também usam o sequenciamento extensivamente para verificar a precisão da sequência de DNA dos sistemas que constroem. Finalmente, o sequenciamento rápido, econômico e confiável também pode facilitar a rápida detecção e identificação de sistemas e organismos sintéticos.
A biologia sintética hoje é limitada pelo tempo e esforço (e, portanto, pelo custo) associados à produção de sequências de DNA que constituem os circuitos genéticos. Para acelerar o ciclo de design, fabricação, teste e redesenho, síntese de DNA de novo e montagem de fragmentos de DNA, os processos comumente chamados de síntese de genes devem se tornar mais rápidos, mais confiáveis e menos caros.
Em 2002, após 2 anos de trabalho, pesquisadores da SUNY Stony Brook anunciaram que haviam sintetizado as bases da sequência publicada do genoma do poliovírus (7741 pb), que é o primeiro organismo sintético declarado. Em 2003 , o genoma do bacteriófago Phi X 174 (5386 pb) foi montado em cerca de duas semanas pelo Instituto Craig Venter. Em 2006 , a mesma equipe construiu e patenteou o genoma sintético de uma nova "bactéria mínima" do Mycoplasma laboratorium e está trabalhando para fazê-lo funcionar em uma célula viva.
Em 2007 , várias empresas ofereciam a síntese de sequências genéticas de até 2.000 pares de bases, por um preço de cerca de US $ 1 por par de bases e um tempo de fabricação de menos de duas semanas. Em 2009, o preço caiu para menos de $ 0,50 por par de base, embora ainda seja mais rápido. Acredita-se que esses preços sejam menores do que o custo da clonagem por técnicas convencionais, e o sistema de preços corporativo comum torna conveniente e economicamente atraente para os pesquisadores projetar e solicitar várias variantes da mesma sequência para identificar genes ou proteínas com desempenho otimizado (melhor uso de códons dependendo do organismo, por exemplo).
Os modelos matemáticos ajudam a projetar circuitos genéticos e sistemas biológicos para prever melhor o comportamento do sistema e otimizá-lo antes da fabricação. A biologia sintética busca aprimorar modelos de reações enzimáticas e interações moleculares, e compreender melhor o comportamento de sistemas multicomponentes. Recentemente, modelos multiescala de circuitos genéticos com foco em aplicações de biologia sintética foram desenvolvidos. As simulações ajudam a modelar as interações biomoleculares envolvidas nos processos de transcrição, tradução e várias regulamentações, além de orientar o projeto de sistemas sintéticos.
Medições quantitativas precisas do comportamento dos sistemas biológicos são essenciais para melhor compreender o funcionamento dos sistemas biológicos e para apoiar a geração e validação do modelo. As diferenças entre as previsões do modelo e as medições do sistema experimental ajudam a identificar lacunas na compreensão e explicar por que os sistemas biossintéticos frequentemente se comportam de maneiras não intencionais. As tecnologias de medição cinética paralela complementam de forma útil a microscopia e a citometria de fluxo . A microfluídica deve permitir em breve fazer um grande número de medidas em paralelo, mais baratas e mais rápidas.
Além dos muitos desafios técnicos, o vasto potencial da biologia sintética também preocupa os bioeticistas sobre seu potencial abuso por estados desonestos e / ou terroristas ou simplesmente por imprudência. Assim como a física nuclear levou a tratamentos de câncer por radiação , mas também a armas nucleares, a biologia sintética poderia melhorar a luta contra doenças endêmicas como a malária , que mata milhões de pessoas todos os anos, mas também leva a, por exemplo, um novo organismo vivo na biosfera e contra a qual o sistema imunológico humano ou animal poderia ser impotente (se esse organismo vivo for virulento). Um organismo que não é perigoso para a saúde humana pode se tornar invasor em certos ambientes, degradando ou destruindo ecossistemas vitais para a humanidade.
Alguns promotores e geneticistas que usam essas técnicas argumentam que podem ou poderiam usar vários meios de restringir e controlar os novos organismos ou genes que eles criaram e sugestões detalhadas aparecem para o licenciamento e monitoramento das várias fases da síntese de genes. E do genoma , mas outros os geneticistas (e parte da população) não confiam nesses sistemas de controle ou defesa e temem acidentes ou abusos. As discussões online são contínuas, detalhadas e abertas, sobre questões sociais, por exemplo, no OpenWetWare . Alguns autores acreditam que a bioética deve ampliar seu campo para essas novas aplicações e inquietações, examinando não apenas os meios pelos quais o conhecimento científico é produzido, mas também os tipos de conhecimento a serem buscados, disseminados e debatidos.
Numerosos romances ou filmes de ficção científica e o jogo de RPG Transhuman Space popularizaram o conceito de andróides e bioróides parcialmente artificiais (introduzidos por (GURPS Cyberpunk), andróides biológicos criados por biogênese (uma palavra usada pelo jogo de papéis para designar sintéticos biologia)
O projeto europeu SYNBIOSAFE enfoca os aspectos éticos e de segurança da biologia sintética, enquanto projetos para a criação de ácido nucléico artificial já estão sendo desenvolvidos.
Em 2009, o Presidente da Comissão Europeia ( José Barroso ) solicitou o parecer do Grupo Europeu de Ética nas Ciências e Novas Tecnologias (EGE) sobre a ética da biologia sintética (EGE, 2009), especificando no seu pedido que “o debate sobre a legitimidade de novas formas de vida concentrou-se principalmente em questões de segurança, e um estudo sobre as implicações morais, jurídicas e sociais que podem derivar deste uso específico da biotecnologia ainda está faltando. " Mas a Europa também apóia financeiramente um projeto chamado" 3NA "(acrônimo em inglês para" 3 e forma de ácido nucléico ") para criar um ácido nucléico diferente de DNA e RNA artificial. O CEA participa com laboratórios ingleses e belgas. Os promotores deste projeto acreditam ser também uma forma de tornar as biotecnologias mais seguras do que os atuais OGM, ao limitar os riscos de contaminação do meio ambiente, outras espécies ou espécies relacionadas.
O subdomínio alimentar também é questionado. A metionina , por exemplo, amplamente utilizada na alimentação animal, é objeto de atenção especial dos desenvolvedores de biotecnologia buscando sintetizar o custo, com apoio financeiro e estratégico da Europa e não sem despertar temores em termos de ética ambiental , por conta dos riscos ligada às biotecnologias e a uma demanda social inexistente, mesmo oposta à artificialização da produção de alimentos.