10.2: Biotecnologia em Medicina e Agricultura

É fácil ver como a biotecnologia pode ser usada para fins medicinais. O conhecimento da composição genética de nossa espécie, a base genética das doenças hereditárias e a invenção da tecnologia para manipular e corrigir genes mutantes fornecem métodos para tratar doenças. A biotecnologia na agricultura pode aumentar a resistência a doenças, pragas e estresse ambiental para melhorar o rendimento e a qualidade da colheita.

Diagnóstico genético e terapia gênica

O processo de testar suspeitas de defeitos genéticos antes de administrar o tratamento é chamado de diagnóstico genético por teste genético. Em alguns casos em que uma doença genética está presente na família de um indivíduo, os membros da família podem ser aconselhados a fazer testes genéticos. Por exemplo, mutações nos genes BRCA podem aumentar a probabilidade de desenvolver câncer de mama e ovário em mulheres e alguns outros cânceres em mulheres e homens. Uma mulher com câncer de mama pode ser examinada para essas mutações. Se uma das mutações de alto risco for encontrada, suas parentes também podem querer ser examinadas para essa mutação em particular, ou simplesmente ficar mais vigilantes quanto à ocorrência de cânceres. Testes genéticos também são oferecidos para fetos (ou embriões com fertilização in vitro) para determinar a presença ou ausência de genes causadores de doenças em famílias com doenças debilitantes específicas.

CONCEITO EM AÇÃO

Veja como o DNA humano é extraído para usos como testes genéticos.

A terapia gênica é uma técnica de engenharia genética que pode um dia ser usada para curar certas doenças genéticas. Em sua forma mais simples, envolve a introdução de um gene não mutado em um local aleatório no genoma para curar uma doença, substituindo uma proteína que pode estar ausente nesses indivíduos devido a uma mutação genética. O gene não mutado geralmente é introduzido nas células doentes como parte de um vetor transmitido por um vírus, como um adenovírus, que pode infectar a célula hospedeira e entregar o DNA estranho ao genoma da célula-alvo (Figura\(\PageIndex{1}\)). To date, gene therapies have been primarily experimental procedures in humans. A few of these experimental treatments have been successful, but the methods may be important in the future as the factors limiting its success are resolved.

Figura\(\PageIndex{1}\): Este diagrama mostra as etapas envolvidas na cura de doenças com terapia genética usando um vetor de adenovírus. (crédito: modificação do trabalho pelo NIH)

Produção de vacinas, antibióticos e hormônios

As estratégias tradicionais de vacinação usam formas enfraquecidas ou inativas de microrganismos ou vírus para estimular o sistema imunológico. Técnicas modernas usam genes específicos de microrganismos clonados em vetores e produzidos em massa em bactérias para produzir grandes quantidades de substâncias específicas para estimular o sistema imunológico. A substância é então usada como vacina. Em alguns casos, como a vacina contra a gripe H1N1, genes clonados do vírus têm sido usados para combater as cepas desse vírus em constante mudança.

Antibióticos matam bactérias e são produzidos naturalmente por microrganismos como fungos; a penicilina é talvez o exemplo mais conhecido. Os antibióticos são produzidos em grande escala pelo cultivo e manipulação de células fúngicas. As células fúngicas normalmente são geneticamente modificadas para melhorar a produção do composto antibiótico.

A tecnologia de DNA recombinante foi usada para produzir grandes quantidades do hormônio humano insulina em E. coli já em 1978. Anteriormente, só era possível tratar o diabetes com insulina suína, que causava reações alérgicas em muitos humanos devido às diferenças na molécula de insulina. Além disso, o hormônio do crescimento humano (HGH) é usado para tratar distúrbios do crescimento em crianças. O gene HGH foi clonado de uma biblioteca de cDNA (DNA complementar) e inserido nas células de E. coli clonando-o em um vetor bacteriano.

Animais transgênicos

Embora várias proteínas recombinantes usadas na medicina sejam produzidas com sucesso em bactérias, algumas proteínas precisam de um hospedeiro animal eucariótico para o processamento adequado. Por esse motivo, genes foram clonados e expressos em animais como ovelhas, cabras, galinhas e camundongos. Animais que foram modificados para expressar DNA recombinante são chamados de animais transgênicos (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): Pode-se observar que dois desses camundongos são transgênicos porque têm um gene que os faz fluorescer sob luz ultravioleta. O camundongo não transgênico não tem o gene que causa a fluorescência. (crédito: Ingrid Moen et al.)

Várias proteínas humanas são expressas no leite de ovelhas e cabras transgênicas. Em um exemplo comercial, o FDA aprovou uma proteína anticoagulante sanguínea produzida no leite de cabras transgênicas para uso em humanos. Os camundongos têm sido usados extensivamente para expressar e estudar os efeitos de genes e mutações recombinantes.

Plantas transgênicas

A manipulação do DNA das plantas (criando organismos geneticamente modificados ou OGM) ajudou a criar características desejáveis, como resistência a doenças, herbicidas e resistência a pragas, melhor valor nutricional e melhor prazo de validade (Figura\(\PageIndex{3}\)). As plantas são a fonte mais importante de alimento para a população humana. Os agricultores desenvolveram maneiras de selecionar variedades de plantas com características desejáveis muito antes do estabelecimento das práticas modernas de biotecnologia.

Figura\(\PageIndex{3}\): O milho, uma importante cultura agrícola usada para criar produtos para uma variedade de indústrias, é frequentemente modificado por meio da biotecnologia vegetal. (crédito: Keith Weller, USDA)

As plantas transgênicas receberam DNA de outras espécies. Como eles contêm combinações únicas de genes e não estão restritos ao laboratório, as plantas transgênicas e outros OGM são monitorados de perto por agências governamentais para garantir que sejam adequadas para consumo humano e não coloquem em risco outras formas de vida vegetal e animal. Como genes estranhos podem se espalhar para outras espécies no ambiente, especialmente no pólen e nas sementes das plantas, testes extensivos são necessários para garantir a estabilidade ecológica. Alimentos básicos como milho, batata e tomate foram as primeiras plantas cultivadas a serem geneticamente modificadas.

Transformação de plantas usando Agrobacterium tumefaciens

Nas plantas, os tumores causados pela bactéria Agrobacterium tumefaciens ocorrem pela transferência do DNA da bactéria para a planta. A introdução artificial do DNA nas células vegetais é mais desafiadora do que nas células animais por causa da espessa parede celular vegetal. Os pesquisadores usaram a transferência natural de DNA do Agrobacterium para uma planta hospedeira para introduzir fragmentos de DNA de sua escolha nas plantas hospedeiras. Na natureza, o A. tumefaciens, causador da doença, tem um conjunto de plasmídeos que contêm genes que se integram ao genoma da célula vegetal infectada. Pesquisadores manipulam os plasmídeos para carregar o fragmento de DNA desejado e inseri-lo no genoma da planta.

O inseticida orgânico Bacillus thuringiensis

O Bacillus thuringiensis (Bt) é uma bactéria que produz cristais proteicos que são tóxicos para muitas espécies de insetos que se alimentam de plantas. Os insetos que ingeriram a toxina Bt param de se alimentar das plantas em poucas horas. Depois que a toxina é ativada no intestino dos insetos, a morte ocorre em alguns dias. Os genes da toxina cristalina foram clonados da bactéria e introduzidos nas plantas, permitindo que as plantas produzam sua própria toxina Bt cristalina que atua contra insetos. A toxina Bt é segura para o meio ambiente e não tóxica para mamíferos (incluindo humanos). Como resultado, ele foi aprovado para uso por agricultores orgânicos como inseticida natural. Há alguma preocupação, no entanto, de que os insetos possam desenvolver resistência à toxina Bt da mesma forma que as bactérias desenvolvem resistência aos antibióticos.

Tomate FlavrSavr

A primeira safra GM a ser introduzida no mercado foi o tomate FlavrSavr produzido em 1994. A tecnologia genética molecular foi usada para retardar o processo de amolecimento e apodrecimento causado por infecções fúngicas, o que levou ao aumento da vida útil dos tomates GM. Modificações genéticas adicionais melhoraram o sabor desse tomate. O tomate FlavrSavr não conseguiu permanecer no mercado devido a problemas de manutenção e transporte da safra.

Resumo

O teste genético é realizado para identificar genes causadores de doenças e pode ser usado para beneficiar indivíduos afetados e seus familiares que ainda não desenvolveram sintomas da doença. A terapia gênica - pela qual genes funcionais são incorporados aos genomas de indivíduos com um gene mutante que não funciona - tem o potencial de curar doenças hereditárias. Organismos transgênicos possuem DNA de uma espécie diferente, geralmente gerado por técnicas de clonagem molecular. Vacinas, antibióticos e hormônios são exemplos de produtos obtidos pela tecnologia de DNA recombinante. Animais transgênicos foram criados para fins experimentais e alguns são usados para produzir algumas proteínas humanas.

Os genes são inseridos nas plantas, usando plasmídeos na bactéria Agrobacterium tumefaciens, que infecta as plantas. As plantas transgênicas foram criadas para melhorar as características das plantas cultivadas, por exemplo, dando-lhes resistência a insetos inserindo um gene para uma toxina bacteriana.

Glossário

terapia genética

a técnica usada para curar doenças hereditárias substituindo genes mutantes por bons genes

testes genéticos

identificar variantes genéticas em um indivíduo que podem levar a uma doença genética nesse indivíduo

Contribuidores e atribuições

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