Introdução à Biotecnologia

O que é biotecnologia?

• Biotecnologia significa qualquer aplicação tecnológica que utiliza sistemas biológicos, organismos vivos, ou seus derivados, para fazer ou modificar produtos ou processos para uso específico.
• A utilização de organismos ou seus componentes no processamento de materiais para a produção de Bens e Serviços.
• A utilização controlada de Informação Biológica.
• O uso integrado de ciências da vida e engenharia para resolver problemas de uma forma mais sustentável.

Objetivos

• O uso racional do potencial de mecanismos biológicos
• Precisão
• Previsibilidade
• Redução de custos de produção
• O uso sustentável de recursos

História da biotecnologia

• As pessoas começam a plantar colheitas em vez de depender da caça e coleta de alimentos (10000-9000 AC).
• Na Mesopotâmia, os sumérios usam levedura para fazer cerveja e vinho (6000 AC).
• Os egípcios usam levedura para fazer o pão crescer e começam a fabricar cerveja e vinho (4000-2000 AC).
• Agricultores antigos, como os do Egito e das Américas, guardavam sementes das plantas que produziam as melhores colheitas e as plantavam no ano seguinte para crescer colheitas ainda melhores (4000-1600 AC).
• Os peruanos selecionaram batatas (de cerca de 160 espécies selvagens) com os níveis mais baixos de venenos e as cultivaram para alimentação (3000-2000 AC).
• Thomas Fairchild, o pai do jardim de flores, criou a primeira planta híbrida da Europa (1700-1720).
• O monge austríaco Gregor Johann Mendel publicou um importante trabalho sobre hereditariedade que descreve como as características das plantas são passadas de geração em geração (1866).
• A bactéria Escherichia coli é descoberta (1855). Mais tarde, torna-se uma importante ferramenta de pesquisa, desenvolvimento e produção para a biotecnologia.
• Melhoradores cruzam algodão, desenvolvendo centenas de variedades com qualidades superiores (1870).
• O primeiro híbrido de milho experimental é produzido em um laboratório (fertilização cruzada) (1870).
• Robert Koch, um médico alemão, descreveu colônias bacterianas crescendo em fatias de batata (primeiro meio sólido de todos os tempos) (1881)
• O termo 'Gene' foi cunhado por Wilhelm - 'gene' como portador da hereditariedade (1909).
• Genes estão ligados a distúrbios hereditários (1909).
• Fagos, ou vírus bacterianos, são descobertos (1915).
• Definição de Biotecnologia como disciplina no livro 'Biotechnologie' (1919).
• Karl Ereky foi um engenheiro agrícola húngaro que previu uma época em que a biologia poderia ser usada para transformar matérias-primas em produtos úteis. Ele cunhou o termo biotecnologia para descrever essa fusão de biologia e tecnologia.
• Ereky desenvolveu ainda mais um tema que seria reiterado ao longo do século 20: a biotecnologia poderia fornecer soluções para crises sociais, como escassez de alimentos e energia.
• A visão de Ereky agora foi realizada por milhares de empresas e instituições de pesquisa.
• A lista crescente de produtos de biotecnologia inclui: medicamentos, dispositivos médicos, diagnósticos, colheitas mais resistentes, biocombustíveis, biomateriais e controles de poluição.
• O termo “engenharia genética” é usado pela primeira vez por um microbiologista dinamarquês (1941).
• O microscópio eletrônico é usado para identificar e caracterizar um bacteriófago - um vírus que infecta bactérias (1942).
• A penicilina é produzida em massa em micróbios pela primeira vez (1942).
• Produção de penicilina em escala industrial (1943).
• Descoberta estrutura DNA (1953).
• Isolamento da primeira endonuclease de restrição (1970).
• Boyer e Cohen estabeleceram a tecnologia de DNA recombinante (1973).
• Kohler e Milstein - produção de anticorpos monoclonais (1975).
• Primeiras diretrizes para pesquisa de DNA recombinante são emitidas / Desenvolvimentos tecnológicos para sequenciamento de DNA (1976).
• Genetech produz insulina humana em E.coli (1978).
• O primeiro kit de diagnóstico baseado em anticorpos monoclonais é aprovado para uso nos EUA Estados Unidos (1981).
• A primeira vacina animal produzida por tecnologias de DNA recombinante é aprovada na Europa (1982).
• Plasmídeos Ti projetados são usados para transformação de plantas (1983).
• Aprovação concedida nos EUA para um ensaio de terapia genética de células somáticas humanas / Projeto Genoma Humano é oficialmente iniciado (1990).
• O FDA anuncia que tomates geneticamente modificados são tão seguros quanto os tomates convencionais (Flavr Savr Tomato) (1991).
• A primeira proteína recombinante, eritropoietina, excede 1 bilhão em vendas anuais / O plantio comercial de uma safra de OGM começa (1996).
• A clonagem nuclear de um mamífero (ovelha) com um núcleo celular diferenciado é realizada – Dolly a ovelha (1997).
• O FDA aprova o primeiro medicamento antisenso (1998).
• Projeto arroz dourado é anunciado (2000).
• A vacina recombinante contra o câncer torna-se disponível (câncer cervical) (2006).
• Cientistas descobrem como usar células da pele humana para criar células-tronco embrionárias (2007).
• Químicos no Japão criam a primeira molécula de DNA artificial (2008).
• O FDA aprova o primeiro medicamento produzido em um animal geneticamente modificado (cabra - produção de uma forma recombinante de antitrombina humana) (2009).
• Sasaki e Okana produziram saguis transgênicos que brilham em luz ultravioleta (e passam a característica para sua prole) (2009).
• Biologia sintética: Craig Venter demonstrou que um genoma sintético poderia se replicar autonomamente / Pesquisadores de Harvard relatam a construção de “pulmão em um chip” – tecnologia (2010).
• Sistema CRISPR como um novo método rápido e preciso para editar trechos do código genético / Pesquisadores no Japão desenvolveram tecido hepático humano funcional a partir de células da pele reprogramadas (2013).
• Pesquisadores descobriram como transformar células-tronco humanas em células β pancreáticas funcionais (2014).
• Uma equipe internacional de cientistas reconstruiu um cromossomo de levedura sintético e totalmente funcional (organismo construído sob medida?) (2014).
• Cientistas do Instituto de Bioengenharia e Nanotecnologia de Cingapura projetaram pequenas sequências de peptídeos que se auto-montam em um gel fibroso quando a água é adicionada para uso como um nanogel de cura (2015).
• Cientistas atingiram uma série de avanços usando a tecnologia de edição genética CRISPR (por exemplo, modificando o DNA de um embrião humano inviável) / Primeiro mapa abrangente do epigenoma humano (2015).
• CRISPR usado para tratar um paciente humano pela primeira vez na China / Células-tronco injetadas em pacientes com derrame restauram a capacidade de andar (2016).
• Cientistas do Salk Institute em La Jolla, CA, afirmaram estar um passo mais perto de serem capazes de cultivar órgãos humanos dentro de porcos / Pesquisa revela diferentes aspectos da desmetilação do DNA envolvidos no amadurecimento do tomate / Sequenciamento do genoma de algas verdes fornece um projeto para avançar com energia limpa, bioprodutos / Células-tronco sanguíneas cultivadas em laboratório pela primeira vez (2017).
• A vacina é denominada mRNA-1273 pela Moderna Therapeutics Company que codifica um fragmento do revestimento do vírus (pico CoV) do COVID19 é lançada no mercado. Vacinas com a mesma lógica científica foram desenvolvidas experimentalmente contra Zika, Ebola, raiva e influenza A (2020).

História da biotecnologia em resumo

• A história da biotecnologia pode ser dividida em três fases distintas:
  • Biotecnologia Antiga (até 1800): Descobertas baseadas em observações comuns sobre a natureza.
  • Biotecnologia Clássica (1800-1945): Revolução microbiana – conhecimento sobre microrganismos.
  • Biotecnologia Moderna (1945 - presente): As origens da biotecnologia culminam com o nascimento da engenharia genética: houve dois eventos-chave que passaram a ser vistos como avanços científicos que iniciaram a era que uniria a genética com a biotecnologia: a descoberta da estrutura do DNA em 1953, por Watson e Crick, e a descoberta em 1973, por Cohen e Boyer, de uma técnica de DNA recombinante pela qual uma seção de DNA foi cortada do plasmídeo de uma bactéria E. coli e transferida para o DNA de outra. Popularmente referida como “engenharia genética”, ela passou a ser definida como a base da nova biotecnologia.

A 4ª geração da Biotecnologia

• Farmacogenômica
• Nutrigenômica
• Bionanotecnologia
• Neuropróteses
• Medicina regenerativa
• Silenciamento gênico pós-transcricional
• Engenharia metabólica
• Seleção assistida por marcadores moleculares
• Biorremediação

Alguns componentes técnicos da moderna Biotecnologia

• Genômica: a caracterização molecular de todas as espécies.
• Bioinformática: a montagem de dados da análise genômica em formas acessíveis.
• Engenharia genética: a introdução de um ou mais genes conferindo traços potencialmente úteis em plantas, gado, peixes e espécies de árvores.
• Melhoramento molecular: a identificação e avaliação de traços desejáveis em programas de melhoramento pelo uso de seleção assistida por marcadores, para plantas, árvores, animais e peixes.
• Diagnósticos Moleculares: o uso da caracterização molecular para fornecer identificação mais precisa e rápida de patógenos e outros organismos.
• Tecnologia de Vacinas Recombinantes: o uso da imunologia moderna para desenvolver vacinas de DNA recombinante para melhorar o controle contra doenças letais
• Edição do genoma: usando nucleases e orientação específica

Biotecnologia Molecular

• A biotecnologia tem sido usada de forma rudimentar desde que os antigos cervejeiros começaram a usar culturas de leveduras para fazer cerveja. O avanço que lançou as bases para a biotecnologia moderna veio quando a estrutura do DNA foi descoberta no início dos anos 1950.
• Descoberta do DNA e avanços tecnológicos - Biologia Molecular - é o campo da biologia que estuda a composição, estrutura e interações das moléculas celulares, como ácidos nucleicos e proteínas que realizam os processos biológicos essenciais para a função e manutenção das células.
• Em seu sentido mais amplo, é o uso de técnicas de laboratório para estudar e modificar ácidos nucleicos e proteínas para aplicações em áreas como saúde humana e animal, agricultura e meio ambiente. A biotecnologia molecular resulta da convergência de muitas áreas de pesquisa que auxiliam na capacidade de transferir informações genéticas entre organismos com o objetivo de compreender processos biológicos importantes ou criar um produto útil.

Cores da Biotecnologia

• Biotecnologia Vermelha: biotecnologia aplicada ao fabrico de produtos farmacêuticos como enzimas, antibióticos e vacinas e utilizada para diagnóstico molecular.
• Biotecnologia Branca: biotecnologia aplicada a processos industriais e outros processos de produção.
• Biotecnologia Verde: biotecnologia aplicada a processos e produtos agrícolas.
• Biotecnologia Azul: biotecnologia marinha e aplicações aquáticas da biotecnologia.

Produtos impulsionados pela biotecnologia

• Produtos biotecnológicos existem desde os tempos antigos.
• Hoje, a biotecnologia está sendo usada em inúmeras áreas, incluindo agricultura, biorremediação, perícia onde a impressão digital de DNA é uma prática comum. Indústria e medicina usam igualmente as técnicas de PCR, imunoensaios e DNA recombinante.
• A fermentação microbiana é essencial para a produção destes alimentos fermentados.

Produtos de primeira geração da biotecnologia

• Cerveja
• Bolonha
• Pães/produtos assados
• Leitelho
• Queijos
• Sidra
• Cacau
• Café
• Queijo cottage
• Licores destilados
• Kefir
• Miso
• Azeitonas
• Picles
• Salame
• Chucrute
• Creme azedo
• Molho de soja
• Tamari
• Chá
• Tempeh
• Tofu
• Vinagre
• Vinho
• Iogurte

Produtos impulsionados pela biotecnologia

• 2017- Luxturna é aprovado para o tratamento de pacientes com distrofia retiniana associada à mutação bialélica RPE65 confirmada que leva à perda de visão e pode causar cegueira completa em certos pacientes. Luxturna funciona fornecendo (adenovírus modificado) uma cópia normal do gene RPE65 diretamente às células da retina.
• Inúmeros produtos são impulsionados pela biotecnologia, incluindo vacinas, terapias moleculares, e etc.
• Produtos como o ELELYSO são feitos pelo crescimento da enzima glucocerebrosidase dentro das células de cenoura, e a alfa-glucocerebrosidase é usada como terapia de reposição para a doença de Gaucher.
• Medicamentos para a pele também usam produtos derivados da biotecnologia como o produto BIOEFFECT EGF Serum utiliza o Fator de Crescimento Epidérmico (EGF) para ajudar na aparência envelhecida, opaca e seca da pele para uma aparência mais fresca, revitalizada e com aparência mais jovem

Desafios globais do século 21

• Aumento da população, mudanças climáticas, recursos alimentares, poluição, novas doenças

Como os produtos biotecnológicos surgem no mercado?

• Investigação fundamental
• Investigação aplicationada
• Desenvolvimento de Produtos