Biotecnologia e reprodução procarionte

Como procariontes se reproduzem por fissão binária. Utilização da bactéria  E. coli  na biologia molecular.

Pontos Principais:

  • Os procariontes (bactérias e arqueas) se reproduzem assexuadamente através da fissão binária. A maioria dos procariontes se reproduz rapidamente.
  • Devido ao seu rápido crescimento e genética simples, as bactérias E. coli são amplamente utilizadas em biologia molecular.
  • No laboratório, um gene pode ser transferido para as bactérias E. coli em uma pequena molécula de DNA circular chamada plasmídeo. O plasmídeo é incorporado na bactéria em um processo chamado transformação.
  • As bactérias de E. coli transformadas podem ser usadas para fazer muitas cópias do plasmídeo. Em alguns casos, elas também irão expressar o gene presente no plasmídeo e produzir proteína.

Introdução

Digamos que você tem uma bactéria. Como você consegue mais bactérias idênticas? Quão rápido você as consegue? E, mais importante, por que você precisaria de um monte de bactérias idênticas?
Vamos à última pergunta: algumas bactérias, mais notadamente a Escherichia coli (E.coli), são amplamente utilizadas nos laboratórios de biologia molecular. Lá, elas servem como pequenas "fábricas" que produzem várias cópias de uma molécula de DNA desejada, ou muitas moléculas de uma proteína de interesse (por exemplo, a insulina usada pelos diabéticos para regular o açúcar no sangue). Quanto mais bactérias, mais DNA ou proteínas podem ser feitas.
Duas características que tornam a E. coli muito útil no laboratório são a sua rápida reprodução e geração de clones, ou bactérias geneticamente idênticas. Vamos ver como a E. coli e outros procariontes se reproduzem. Em seguida, conheceremos suas utilizações na biotecnologia.

Como os procariontes se reproduzem?

Os procariontes se reproduzem através de um processo de divisão celular chamado fissão binária. Como a mitose em eucariontes, este processo consiste em copiar o cromossomo e dividir a célula em duas.
A fissão binária é uma forma de reprodução assexuada, ou seja, não envolve a produção de óvulo e esperma nem a mistura do material genético de dois indivíduos. Exceto nos casos de mutações raras ou alterações na sequência de DNA, a fissão binária produz células filhas geneticamente idênticas à célula mãe.
Para saber mais sobre as etapas da fissão binária, leia o artigo fissão binária na seção sobre divisão celular.

Os procariontes se reproduzem rápido!

Os procariontes em geral se reproduzem muito mais rápido que os eucariontes multicelulares. Isto é medido em termos de tempo de geração, ou o tempo decorrido desde o nascimento de uma geração até o nascimento da próxima.
Para os seres humanos, o tempo de geração típico é em torno de 2020 anos. Para uma bactéria típica, pode ser em torno de 2020 minutos! Na verdade, as bactérias E. coli que vivem no nosso intestino e são muito utilizadas nas pesquisas de laboratório podem produzir uma nova geração a cada 1717 minutos, em média1 ^ 1.
Nem todas as bactérias são bastante rápidas, e algumas patogênicas, como a Mycobacterium tuberculosis, têm um tempo de geração de mais de 1212 horas1^1. Ainda assim, os procariontes em geral são multiplicadores rápidos, o que significa que as suas populações podem crescer muito rapidamente — em um ambiente natural ou, em alguns casos, em um tubo de ensaio no laboratório.

Bactérias e biologia molecular

As bactérias que se reproduzem rapidamente e são fáceis de crescer em laboratório são bons modelos para muitos estudos científicos. A E. coli, por exemplo, é um dos organismos mais utilizados em pesquisas biológicas.
Embora você possa ter ouvido falar da E. coli como um contaminante alimentar, cepas inofensivas de E. coli são utilizadas em laboratórios de biologia em todo o mundo. De fato, muitos processos biológicos básicos, como o mecanismo de replicação do DNA, foram descobertos na E. coli.

E. coli como fábricas de DNA e proteínas

Hoje, a E.coli são muito utilizadas como pequenas "fábricas" para sintetizar DNA ou proteínas. Pesquisadores podem inserir um gene de interesse na E. coli por um processo chamado transformação (incorporação de DNA do ambiente), conforme descreve o artigo sobre variação genética procarionte. Em tais experiências, o gene de interesse é normalmente inserido em um pedaço de DNA circular chamado plasmídeo, que é então copiado pela bactéria e passado para sua prole.
Plasmídeo para a transformação bacteriana. É uma molécula de DNA circular que contém um gene alvo (como da insulina, no caso da produção de insulina recombinante), um promotor para conduzir a expressão gênica e um gene de resistência antibiótica.
Depois de incorporar o plasmídeo com o gene de interesse, as células E. coli irão replicá-lo e passá-lo a frente cada vez que elas se dividirem, fazendo muitas cópias do DNA do plasmídeo. Se o plasmídeo contiver as sequências de controle corretas, a E. coli também pode ser instruída a transcrever e traduzir o gene de interesse, produzindo a proteína. Por exemplo, a maioria da insulina usada pelos diabéticos é produzida em células E. coli utilizando esta estratégia.

Passos da transformação

Em um experimento típico de transformação, primeiro o gene alvo (DNA azul, acima) é inserido no plasmídeo. Além do gene alvo, o plasmídeo também conterá um gene que oferece resistência a um antibiótico específico (DNA vermelho, acima). Se o objetivo é usar as bactérias para sintetizar a proteína do gene, o plasmídeo também conterá um promotor, uma sequência de controle que permite que o gene alvo seja expresso nas bactérias (DNA verde, acima).
As cópias do plasmídeo são misturadas com as células de E. coli e submetidas a um choque de calor (rápida exposição a alta temperatura), quando uma pequena fração das células irá capturar o plasmídeo. Depois, todas as E. coli são espalhadas numa placa com nutriente e antibiótico. A finalidade do antibiótico é selecionar e cultivar as bactérias com o plasmídeo, resistentes ao antibiótico.
Etapas da transformação bacteriana.
  1. O plasmídeo é adicionado às bactérias.
  2. Um choque de calor faz as bactérias absorverem o plasmídeo. A maioria não absorve o plasmídeo, mas algumas o fazem.
  3. Todas as bactérias são colocadas em uma placa contendo antibiótico.
  4. Só as bactérias com o plasmídeo conseguem sobreviver. Cada uma se reproduz formando uma colônia.
  5. Uma colônia cresce, produzindo muitas outras bactérias idênticas. As bactérias são induzidas a produzir a proteína-alvo, como a insulina.
A E. coli sem plasmídeo é eliminada pelo antibiótico. A E. coli que contém o plasmídeo sobrevive (graças ao gene de resistência ao antibiótico no plasmídeo) e se reproduzirá. Cada célula resistente formará uma colônia de bactérias geneticamente idênticas, que aparece na placa de ágar como um pequeno ponto. A colônia resistente ao antibiótico é verificada (confirmação por outros métodos se contém o plasmídeo correto), e então cultivada para produzir uma grande quantidade de bactérias idênticas produtoras de plasmídeos.
Para que serve uma grande cultura de bactérias produtoras de plasmídeo? Às vezes, os pesquisadores precisam de muitas cópias do DNA do plasmídeo para usar em outro experimento, e eles podem extrair esse DNA da cultura. Ou ainda, se o plasmídeo contiver o promotor certo, as bactérias podem ser induzidas (instruídas) a expressar o gene e sintetizar a proteína. Essa técnica é usada para produzir algumas proteínas clinicamente importantes, como a insulina e o hormônio do crescimento humano.
Este artigo está autorizado sob licença CC BY-NC-SA 4.0.

Referências:

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