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Tecnologia genética

Biologia do A-Level · Tópico 19

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8:31

Tecnologia genética

Duas plantas de algodão. Mesmo campo, mesmos insetos, mesma semana. A da esquerda foi mal tocada. A da direita foi devorada até restarem apenas caules. A…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

19.1

Princípios da tecnologia genética

Programa
  1. definir o termo DNA recombinante
  2. explicar que a engenharia genética é a manipulação deliberada de material genético para modificar características específicas de um organismo e que isso pode envolver a transferência de um gene para um organismo para que o gene seja expresso
  3. explicar que genes a serem transferidos para um organismo podem ser: • extraídos do DNA de um organismo doador • sintetizados a partir do mRNA de um organismo doador • sintetizados quimicamente a partir de nucleotídeos
  4. explicar os papéis de endonucleases de restrição, DNA ligase, plasmídeos, DNA polimerase e transcriptase reversa na transferência de um gene para um organismo
  5. explicar por que um promotor pode precisar ser transferido para um organismo além do gene desejado
  6. explicar como a expressão génica pode ser confirmada pelo uso de genes marcadores que codificam produtos fluorescentes
  7. explicar que a edição génica é uma forma de engenharia genética que envolve a inserção, deleção ou substituição de DNA em locais específicos do genoma
  8. descrever e explicar as etapas envolvidas na reação em cadeia da polimerase (PCR) para clonar e amplificar DNA, incluindo o papel da polimerase Taq
  9. descrever e explicar como a eletroforese em gel é usada para separar fragmentos de DNA de diferentes comprimentos
  10. esboçar como as microarrays são usadas na análise de genomas e na detecção de mRNA em estudos de expressão génica
  11. esboçar os benefícios do uso de bancos de dados que fornecem informações sobre sequências de nucleotídeos de genes e genomas, e sequências de aminoácidos de proteínas e estruturas de proteínas

Fonte: Programa Cambridge International

Recombinante 重组 DNA é DNA que foi feito ao unir DNA de duas fontes diferentes. Engenharia genética 基因工程 é a alteração deliberada do material genético de um organismo — muitas vezes transferindo um gene 基因 para um organismo para que o gene seja expresso (ligado para produzir sua proteína 蛋白质).

Um termostator de bancada com a tampa aberta
Um termostator (máquina de PCR) faz muitas cópias de uma amostra de DNA

O gene a ser transferido pode ser obtido de três formas:

  • cortado do DNA de um organismo doador 供体,
  • feito a partir do mRNA do doador, usando a enzima transcriptase reversa 逆转录酶,
  • construído quimicamente a partir de nucleotídeos 核苷酸.

As ferramentas

Ferramenta Papel
endonuclease de restrição 限制性内切酶 corta o DNA em uma sequência específica de bases, deixando "extremidades adesivas"
DNA ligase 连接酶 une pedaços de DNA juntos
plasmídeo 质粒 um pequeno anel de DNA bacteriano usado como vetor de clonagem 载体 para levar o gene para uma célula
DNA polimerase 聚合酶 copia o DNA
transcriptase reversa faz DNA a partir de um molde de mRNA
Uma enzima de restrição deixa uma extremidade adesiva de fita simples em um pedaço de DNA cortado; um gene cortado com a mesma enzima tem uma extremidade adesiva correspondente, então a DNA ligase pode parear e uni-los
Uma endonuclease de restrição deixa extremidades adesivas correspondentes; a DNA ligase une um gene ao DNA cortado

Um promotor 启动子 frequentemente precisa ser transferido junto com o gene. O promotor é o "interruptor" que permite que o gene seja transcrito no seu novo organismo, sem ele o gene permaneceria silencioso.

Para verificar se o gene entrou e está funcionando, os cientistas adicionam um gene marcador 标记基因 ao lado — por exemplo, um que codifica um produto fluorescente 荧光 (que brilha). Se as células brilharem, a transferência funcionou.

Um gene unido a um plasmídeo aberto pela ligase para formar um plasmídeo recombinante, que é então absorvido por uma bactéria
Um plasmídeo atua como vetor de clonagem: o gene é unido a ele, e o plasmídeo recombinante é absorvido por uma bactéria

Edição gênica

Edição gênica 基因编辑 é uma forma precisa de engenharia genética. Insere, exclui ou substitui DNA em um local exato no genoma 基因组.

Copiando e organizando DNA

  • a reação em cadeia da polimerase 聚合酶链式反应 (PCR) é usada para clonar 克隆 e amplificar 扩增 DNA — para fazer milhões de cópias. Repete ciclos de aquecimento e resfriamento, usando uma enzima termorresistente chamada Taq polimerase.
Um ciclo de três etapas: aquecimento a 95 graus separa as fitas, resfriamento a 55 graus permite que os iniciadores se liguem, e 72 graus permite que a Taq polimerase construa novas fitas, repetindo para dobrar o DNA a cada vez
A PCR repete ciclos de aquecimento e resfriamento; cada ciclo dobra o DNA, produzindo milhões de cópias
  • eletroforese em gel 凝胶电泳 separa fragmentos 片段 de DNA pelo comprimento. Os fragmentos movem-se através de um gel em um campo elétrico, e fragmentos menores viajam mais longe, assim os comprimentos se espalham em bandas.
Um gel com poços na extremidade negativa e fragmentos de DNA movendo-se para baixo em direção à extremidade positiva; fragmentos menores viajam mais longe, separando-se em bandas
Eletroforese em gel: o DNA move-se em direção à extremidade +, e fragmentos menores viajam mais longe, organizando-os por comprimento
Um gel real de agarose fotografado sob luz ultravioleta: uma escada de DNA corada com bandas espaçadas uniformemente na faixa da esquerda, com bandas laranja e verdes brilhantes em diferentes alturas nas faixas de amostra
Um gel real sob luz UV: a faixa da esquerda é uma escada de DNA, e as bandas brilhantes mostram como os fragmentos foram separados por comprimento
  • microarrays 微阵列 são usados para estudar genomas inteiros e detectar quais genes estão ligados, captando seu mRNA.
  • banco de dados 数据库 armazena as sequências de nucleotídeos de genes e as sequências de aminoácidos 氨基酸 de proteínas, para que cientistas de qualquer lugar possam compará-las.
Explorar

As ferramentas da tecnologia genética

A engenharia genética move um gene útil para outro organismo para que este produza uma proteína desejada.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
recombinant/ˌriːˈkɒmbɪnənt/ 重组 chóng zǔ
genetic engineering/dʒɪˈnetɪk ˌendʒɪˈnɪərɪŋ/ 基因工程 jī yīn gōng chéng
gene/dʒiːn/ 基因 jī yīn
protein/ˈprəʊtiːn/ 蛋白质 dàn bái zhì
donor/ˈdəʊnə/ 供体 gōng tǐ
reverse transcriptase/rɪˈvɜːs trænˈskrɪpteɪs/ 逆转录酶 nì zhuǎn lù méi
nucleotide/ˈnjuːklɪɒtaɪd/ 核苷酸 hé gān suān
restriction endonuclease/rɪˈstrɪkʃn ˈendəʊnjuːklɪeɪs/ 限制性内切酶 xiàn zhì xìng nèi qiè méi
ligase/ˈlɪɡeɪs/ 连接酶 lián jiē méi
plasmid/ˈplæzmɪd/ 质粒 zhì lì
cloning vector/ˈkləʊnɪŋ ˈvektə/ 载体 zài tǐ
polymerase/ˌpɒlɪməˈreɪz/ 聚合酶 jù hé méi
promoter/prəˈməʊtə/ 启动子 qǐ dòng zi
marker gene/ˈmɑːkə dʒiːn/ 标记基因 biāo jì jī yīn
fluorescent/flʊəˈresənt/ 荧光 yíng guāng
gene editing/dʒiːn ˈedɪtɪŋ/ 基因编辑 jī yīn biān jí
genome/ˈdʒiːnəʊm/ 基因组 jī yīn zǔ
polymerase chain reaction/ˌpɒlɪməˈreɪz tʃeɪn rɪˈækʃn/ 聚合酶链式反应 jù hé méi liàn shì fǎn yìng
clone/kləʊn/ 克隆 kè lóng
amplify/ˈæmplɪfaɪ/ 扩增 kuò zēng
gel electrophoresis/dʒel ɪˌlektrəʊfɔːˈriːsɪs/ 凝胶电泳 níng jiāo diàn yǒng
fragment/ˈfræɡmənt/ 片段 piàn duàn
microarray/ˈmaɪkrəʊəreɪ/ 微阵列 wēi zhèn liè
database/ˈdeɪtəbeɪs/ 数据库 shù jù kù
amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/ 氨基酸 ān jī suān
19.2

Tecnologia genética na medicina

Programa
  1. explicar as vantagens do uso de proteínas humanas recombinantes para tratar doenças, usando os exemplos insulina, fator VIII e adenosina desaminase
  2. esboçar as vantagens do rastreamento genético, usando os exemplos de câncer de mama (BRCA1 e BRCA2), doença de Huntington e fibrose cística
  3. esboçar como doenças genéticas podem ser tratadas com terapia génica, usando os exemplos imunodeficiência combinada severa (SCID) e doenças oculares hereditárias
  4. discutir as considerações sociais e éticas do uso de rastreamento genético e terapia génica na medicina

Fonte: Programa Cambridge International

Proteínas humanas recombinantes

Um gene humano pode ser colocado em bactérias ou outras células para que produzam uma proteína humana recombinante — uma cópia exata da humana. Isso é mais seguro, nunca falta e evita o uso de proteínas tiradas de animais ou doadores. Exemplos são insulina 胰岛素 (para diabetes 糖尿病), fator VIII (para hemofilia) e adenilato desaminase (para sistema imunológico defeituoso).

Um fluxo de cinco etapas: o gene da insulina humana é inserido em um plasmídeo, absorvido por bactérias, cultivado em um fermentador, depois purificado em insulina humana
As mesmas ferramentas fazem uma proteína humana: o gene da insulina vai para bactérias, que se tornam fábricas vivas — então a insulina é uma cópia exata humana e nunca falta

Rastreamento genético

Rastreamento genético 基因筛查 testa o DNA de uma pessoa quanto a alelos de doença antes do aparecimento de sintomas. Exemplos são os alelos BRCA1 e BRCA2 (que aumentam o risco de câncer de mama 乳腺癌), doença de Huntington 亨廷顿病 e fibrose cística 囊性纤维化. Conhecer o resultado ajuda as pessoas a tomar decisões informadas sobre tratamento e família.

Terapia gênica

Terapia gênica 基因治疗 trata uma doença genética inserindo uma cópia funcional de um gene nas células do paciente. Foi usada para SCID (uma doença em que o sistema imunológico falha) e algumas doenças oculares hereditárias.

Questões sociais e éticas

O rastreamento genético e a terapia gênica levantam preocupações: quem deve ver seus resultados genéticos, se seguradoras ou empregadores poderiam usá-los indevidamente, se as alterações são seguras e permanentes, e quem decide. Essas questões éticas 伦理 e sociais devem ser ponderadas contra os benefícios.

Explorar

Produzir insulina humana com bactérias GM

Passe por ela. O gene da insulina humana entra nas bactérias, que depois produzem insulina humana exata em fermentadores.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
insulin/ˈɪnsjuːlɪn/ 胰岛素 yí dǎo sù
diabetes/ˌdaɪəˈbiːtiːz/ 糖尿病 táng niào bìng
genetic screening/dʒɪˈnetɪk ˈskriːnɪŋ/ 基因筛查 jī yīn shāi chá
breast cancer/brest ˈkænsə/ 乳腺癌 rǔ xiàn ái
Huntington's disease/ˈhʌntɪŋtnz dɪˈziːz/ 亨廷顿病 hēng tíng dùn bìng
cystic fibrosis/ˈsɪstɪk fɪˈbrəʊsɪs/ 囊性纤维化 náng xìng xiān wéi huà
gene therapy/dʒiːn ˈθerəpi/ 基因治疗 jī yīn zhì liáo
ethical/ˈeθɪkl/ 伦理 lún lǐ
genetically modified organism/dʒɪˈnetɪkli ˈmɒdɪfaɪd ˈɔːɡənɪzəm/ 转基因生物 zhuǎn jī yīn shēng wù
salmon/ˈsæmən/ 鲑鱼 guī yú
soybean/ˈsɔɪbiːn/ 大豆 dà dòu
herbicide/ˈhɜːbɪsaɪd/ 除草剂 chú cǎo jì
19.3

Organismos geneticamente modificados na agricultura

Programa
  1. explicar que a engenharia genética pode ajudar a resolver a demanda global por alimentos melhorando a qualidade e a produtividade de animais de fazenda e plantas cultivadas, usando os exemplos de salmão GM, resistência a herbicidas na soja e resistência a insetos no algodão
  2. discuta as implicações éticas e sociais do uso de organismos geneticamente modificados (OGMs) na produção alimentar

Fonte: Programa Cambridge International

Engenharia genética pode ajudar a alimentar um mundo em crescimento melhorando animais e culturas cultivadas. Exemplos de organismos geneticamente modificados 转基因生物 (OGMs) são:

  • salmão GM 鲑yu que crescem até tamanho mais rápido.
  • soja 大豆 tornada resistente a um herbicida 除草剂, para que ervas daninhas possam ser pulverizadas sem prejudicar a cultura.
  • algodão 棉花 tornado resistente a insetos pragas 害虫, porque produz uma proteína que mata os insetos.
Duas plantas de algodão lado a lado: a da esquerda tem folhas saudáveis cheias, a da direita foi devorada até caules rasgados por insetos
Ambas as plantas enfrentaram os mesmos insetos. O algodão GM resistente a insetos na esquerda foi quase tocado; o algodão comum na direita foi arranhado — porque a planta GM produz uma proteína que mata as pragas enquanto se alimentam

OGMs também levantam questões éticas e sociais: se são seguros para comer, qual efeito têm no meio ambiente e espécies selvagens, se os genes modificados podem se espalhar, e se poucas grandes empresas devem controlar o suprimento de alimentos.

Exemplo resolvido. Uma pequena amostra de DNA de uma cena de crime deve ser amplificada e depois comparada com a de um suspeito. Descreva as duas técnicas e o que cada uma alcança. PCR copia o DNA em ciclos repetidos: denaturação em cerca de $95\ °\text{C}$ separa as fitas, anelenamento em cerca de $55\ °\text{C}$ permite que iniciadores se liguem em cada extremidade do alvo, e extensão em cerca de $72\ °\text{C}$ faz a Taq polimerase construir as novas fitas. Cada ciclo dobra a quantidade, então $n$ ciclos dão $2^n$ cópias - 30 ciclos transformam uma molécula em aproximadamente um bilhão. Eletroforese em gel então separa os fragmentos: o DNA é negativamente carregado devido aos seus grupos fosfato, então move-se em direção ao ânodo, e fragmentos menores viajam mais longe através do gel. Padrões de bandas correspondentes apontam para a mesma fonte. A Taq polimerase é usada porque é termorresistente - uma polimerase comum desnaturaria em $95\ °\text{C}$ no primeiro ciclo.

Explorar

Como um OGM é feito

Passo a passo — a mesma ferramenta de DNA recombinante, agora usada para conferir a uma cultura ou microrganismo um novo gene útil.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
cotton/ˈkɒtn/ 棉花 mián huā
pest/pest/ 害虫 hài chóng
19.3

Dicas de prova

  • Esboce a caixa de ferramentas: enzimas de restrição (cortam em sequências específicas, extremidades adesivas), ligase (une), vetores de plasmídeo e PCR (amplifica).
  • Explique eletroforese em gel: o DNA separa-se por tamanho, fragmentos menores viajam mais longe — usado em impressão digital genética.
  • Dê um benefício vs preocupação equilibrado para OGMs e terapia gênica.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

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