Biologia sintética: sintetizando proteínas recombinantes in vitro
Por Dra. Mona Oliveira CSO at BioLinker; Dra. Carolina de Lima Jorge & Natalia Silva Alves (bolsistas TT da BioLinker)
Em 1968, Neiremberg juntamente com Har Khorana e Robert Holley, foram agraciados com o Nobel de Fisiologia ou Medicina. A descoberta deles viria revolucionar a biotecnologia. Eles decifraram o código genético. Através do conhecimento gerado por eles, agora podemos editar e construir novas proteínas, e manipular o código de proteínas por mutações dirigidas e desenhadas. Além disso, eles foram os primeiros a estabelecer um protocolo de sistema de síntese de biomoléculas in vitro (Cell-free expression system).
A biologia sintética consiste na aplicação dos princípios de engenharia à biologia. Isso pode envolver o redesenho de um ser vivo, de tal modo que produza qualquer coisa – por exemplo fabricar uma substância particular – que não seja produzida naturalmente. Ainda mais ambiciosas são as tentativas de produção de seres vivos completamente novos, ou seja, de criar vida a partir de materiais não vivos, em vez de redesenhar apenas seres vivos
Bem-vindo: Cell-free expression
A tecnologia do DNA recombinante é uma técnica de engenharia metabólica que nos permite a produção de moléculas que, quando otimizadas da forma correta, pode-se obter compostos mais baratos e mais efetivos usando "o maquinário" de uma célula viva. Um dos grandes desafios nesta área é a obtenção de moléculas que possuam um equilíbrio adequado nos fluxos intracelulares, para assim gerar uma produção ótima de alvos moleculares associados aos recursos básicos que uma célula necessita para que ela possa crescer adequadamente.
A engenharia sintética de biomoléculas livres de células (em inglês cell-free expression system) é uma abordagem interessante para suprir os problemas levantados anteriormente, visto que muitas moléculas e proteínas que seriam geralmente tóxicas para uma célula viva, podem ser sintetizadas ao se empregar esse tipo de estratégia. Além disso, em alguns casos na engenharia genética, muitos subprodutos são gerados como "efeito colateral" e por fim, este tipo de abordagem apresenta também resultados mais rápidos do que os procedimentos anteriores.
O Pure System
Os sistemas de síntese de proteínas livre de células necessitam de três componentes básicos para expressar proteínas: template, que pode ser tanto o amplicon proveniente de produto de PCR ou plasmídeos (para especificar a proteína a ser traduzida); moléculas utilizadas como substrato para a transcrição e tradução, tais como rNTPs, aminoácidos, substratos de energia etc.); e o extrato celular, que é o conteúdo citoplasmático extraído de células vivas. Este tipo de extrato possui enzimas glicolíticas e ribossomos, que fazem parte da maquinaria essencial para a produção de proteínas e outras biomoléculas. Além disso, com o conhecimento atual das rotas bioquímicas, é possível produzir, através da bioengenharia, o conjunto de enzimas da rota sintética, fazendo-se possível imobilizá-los ou não, criando-se assim o que chamamos de "PURE system" que nos permite promover a síntese de um substrato específico juntamente com a criação de rotas híbridas com enzimas de outras espécies trabalhando em conjunto em um sistema de síntese in vitro.
O produto de inovação e tecnologia
A proposta da startup BioLinker é justamente entregar como produto final proteínas específicas às empresas, institutos e universidades, de forma rápida, com alto rendimento, qualidade e pureza, o que evita gastos desnecessários com investimento e tempo dentro das empresas. Como método, utilizamos estratégias que estão na vanguarda da biologia molecular, como a liofilização de proteínas (que aumenta a capacidade de transporte e estabilidade do produto), expressão de proteínas livres de células e purificação por afinidade a aptâmeros.
A purificação é um ponto crítico na expressão de proteínas recombinantes. Com o uso da tecnologia "cell-free" temos uma expressão mais limpa, e mais fácil de purificar, melhorando o rendimento principalmente de proteínas de difícil purificação, expressão e aumentando a eficiência do processo.
A semente de inovação cresceu
Com origem nos porões do Instituto de Química da USP, quatro recém doutores e um economista se juntaram para montar esse projeto inovador, que está a caminho do sucesso a nível mundial. A Biolinker é uma empresa de base científica e está atualmente incubada no CIETEC- IPEN, dentro da cidade universitária da USP, em São Paulo. Na sua trajetória de quase dois anos, a BioLinker vem provocando a atenção para as necessidades nacionais de produtos especializados, que são atualmente importados, não havendo fabricantes dentro da América Latina. Além disso, já despertou interesse internacional, com seus projetos na vanguarda mundial e mostrando que no Brasil também se faz ciência de qualidade aplicada a produtos e negócios inovadores.
O amadurecimento de uma Startup
Atualmente a BioLinker está desenvolvendo um sistema totalmente automatizado, com integração de tecnologias de ponta, para possibilitar melhoria na vida de cientistas que desenham proteínas e testam seu potencial. Em 2019 a startup recebeu financiamento pelo PIPE-Fapesp (Projeto Inovativo para Pequenas Empresas) e atualmente conta com três pesquisadores realizando experimentação e desenvolvimento de novos produtos com o suporte da Fapesp.
Por meio da parceria com a empresa Molecular Biotecnologia (BH/MG), que é o distribuidor exclusivo da Twist Bioscience (EUA) no Brasil, a Biolinker pode dar um salto de qualidade, no desenvolvimento de seus produtos, para atender seus clientes com kits customizados de biologia sintética.
A Biolinker é TOP-500 das startups pioneiras no mundo, recentemente premiada no Hello Tomorrow na França, em 2019.
Figura. Esquema ilustrativo da rapidez e flexibilidade que a tecnologia cell-free permite na síntese de proteínas recombinantes
1. Silverman, A.D., Karim, A.S. & Jewett, M.C. Cell-free gene expression: an expanded repertoire of applications. Nat Rev Genet (2019). https://doi.org/10.1038/s41576-019-0186-3.
2. Ge X, Xu J. Macromolecular crowding effects on transcription and translation are regulated by free magnesium ion. Biotechnol Appl Biochem. 2019 Oct.
3. Dopp JL, Reuel NF. Process optimization for scalable E. coli extract preparation for cell-free protein synthesis. Biochem Eng J [Internet]. 2018; 138:21–8. Available from: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369703X18302171.
4. Biologia Sintética: uma introdução EASAC 2011 Available from: https://easac.eu/fileadmin/Reports/Easac_11_SB-Lay-Portuguese_web.pdf.
Molecular Biotecnologia
Fonte: http://www.labnetwork.com.br/noticias/biologia-sintetica-sintetizando-proteinas-recombinantes-in-vitro/