Implementação de princípios de biologia sintética para construção de sistemas genéticos avançados com aplicação biotecnológica

Abstract

A biologia sintética foi definida como área específica do conhecimento no século 21 e já trouxe avanços significativos nos campos da indústria, energia, agricultura e saúde. Ainda nos seus primórdios, a biologia sintética consolidou-se como uma disciplina separada da biologia molecular com foco na engenharia de novas funções biológicas, incorporando ciências da computação e conceitos de engenharia elétrica. A construção de circuitos genéticos sintéticos com funcionalidades complexas foi o combustível para o progresso dessa nova área. Mais recentemente, a revolução trazida pela tecnologia CRISPR em engenharia genética ajudou a estabelecer vários testes moleculares alternativos com potencial de aplicação, por exemplo, no ponto de atendimento a um paciente ou no controle de qualidade industrial. Este trabalho baseou-se na hipótese de que é possível aplicar princípios de biologia sintética para a idealização e otimização de ferramentas genéticas que já são costumeiramente utilizadas para fins biotecnológicos, incluindo sistemas de expressão de proteínas recombinantes e dispositivos biossensores genéticos. Primeiramente, um circuito genético foi construído para auxiliar a expressão de proteínas recombinantes solúveis por meio de processamento intracelular controlado. Esse sistema rendeu uma alta concentração de proteínas recombinantes solúveis (272,0 ± 60,1 μg / mL de cultura), e a porcentagem de proteína recombinante sem a etiqueta de solubilização foi de até 67,3%. A aplicação desse sistema facilitará a produção de proteínas de difícil expressão e de interesse biotecnológico, como a polimerase Bst-LF, que tem aplicação em sistemas biossensores. O objetivo é integrar essa enzima numa ferramenta de diagnóstico também desenvolvida no contexto desse estudo, baseada na tecnologia CRISPR, a qual já foi adaptada para detectar o RNA do vírus SARS-CoV-2. O teste teve sensibilidade analítica de 50 cópias virais /µL e apresentou alta acurácia em amostras de pacientes (área sob a curva ROC = 1,0; IC: 0,715 - 1,00), utilizando detecção por um aplicativo de telefone celular com visão computacional integrada. A concepção de ambas as tecnologias demonstra o potencial da biologia sintética para o desenvolvimento de produtos e ferramentas biotecnológicas.

Synthetic biology was defined as a specific area of knowledge in the 21st century and has already been introduced in the fields of industry, energy, agriculture and health. In its earliest days, synthetic biology was consolidated as a separate discipline from molecular biology, focusing on the engineering of new biological functions by incorporating computer sciences and electrical engineering concepts. The construction of synthetic genetic circuits with complex functionalities was the ammunition for the progress of this novel area. More recently, the CRISPR revolution in genetic engineering helped establish multiple alternative molecular tests with potential application, for example, at the point of patient care or in industrial quality control. This work was based on the hypothesis that it is possible to apply synthetic biology principles to the idealization and optimization of genetic tools that are already commonly used for biotechnological purposes, including recombinant protein expression systems and genetic biosensor devices. First, a genetic circuit was constructed to aid the expression of soluble recombinant proteins through controlled intracellular processing. This system yielded a high concentration of soluble recombinant proteins (272.0 ± 60.1 μg / mL of culture), and the percentage of recombinant protein without the solubilization tag was up to 67.3%. The application of this system will facilitate the production of proteins of difficult expression and of biotechnological interest, such as Bst-LF polymerase, which has application in biosensor systems. The objective is to integrate this enzyme into a diagnostic tool also developed in the context of this study, based on the CRISPR technology, which has already been adapted to detect the RNA of the SARS-CoV-2 virus. The test had an analytical sensitivity of 50 viral copies/µL and showed high accuracy in patient samples (area under the ROC curve = 1.0; CI: 0.715 - 1.00), using detection by a mobile phone application with integrated computer vision. The design of both technologies demonstrates the potential of synthetic biology for the development of biotech products and tools.