Desenvolvida a primeira bactéria ciborgue!
- Bioquímica Brasil
- 30 de out. de 2016
- 3 min de leitura
Editor: Marcelo Depólo Polêto
Pesquisadores do Departamento de Ciências de Biossistemas e Engenharia do ETHZ - Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) construíram uma bactéria que pode crescer sendo completamente controlada, de modo automático, por computadores. A interface entre computador e bactéria é baseado nas cores vermelho e verde. Esse método pode auxiliar a otimização da produção biotecnológica de moléculas.
A bactéria é considerada um ciborgue porque é um híbrido, parte máquina e parte organismo vivo. Esse organismo é a E. coli, frequentemente usada em pesquisas em diversas áreas biológicas.
A máquina e o organismo estão ligados por meio de duas interfaces: o computador se comunica com luzes, vermelha e verde. Assim, a bactéria modificada é capaz de compreender esses sinais. No sentido contrário, a taxa de crescimento do cultivo bacteriano é enviada em tempo real para o computador em tempo real através pelo intermédio da medição óptica.
Alta precisão no controle
Há cinco anos, os pesquisadores e seus colaboradores apresentaram uma prova básica de um conceito de uma interface baseada em luzes entre um computador e células de leveduras; porém, o sistema antigo não era capaz de ser totalmente controlado por computadores; já o atual, sim. "Essa é a primeira vez que nós conseguimos controlar o crescimento de microrganismos; de uma maneira muito precisa e sintonizada", explica Mustafa Khammash, professor de Sistemas Biológicos e Teorias de Controle. Com a ajuda de um sistema de controle computadorizado, os cientistas podem influir no crescimento bacterial de modo preciso segundo uma curva pré-determinada.
O novo sistema é também extremamente confiável e robusto. Testaram como a bactéria ciborgue reagiria em relação a mudanças rápidas e drásticas no microambiente de cultivo. Um exemplo é a modificação da composição nutricional de meio de cultura e da temperatura durante o experimento. O sistema provou ser ótimo ao se adaptar às mudanças citadas. "Tudo isso foi possível porque conseguimos usar algoritmos de controle baseado em feedback do microrganismo para a regulação de processos, assim como os usados em aeronaves para manter a altitude constante," elucida Khammash .
"Olhos" para a bactéria
Os pesquisadores modificaram a E. coli para que conseguisse ser controlada por luz. Eles modificaram a cepa que usa genes de cianobactéria, que são controlados pelo metabolismo em resposta a luz; e como as plantas, usam a energia da luz para fotossíntese. Os bioengenheiros uniram o sistema genético da cianobactéria sensível a luz com o sistema de regulação de uma enzima que produz metionina, um aminoácido essencial o crescimento bacteriano.
Quando o computador ilumina a cultura de E. coli com luz vermelha, a bactéria para de produzir metionina, o que resulta em um crescimento mais lento. Por outro lado, ao ser iluminado com luz verde, a produção de metionina é estimulada e o crescimento da bactéria é acelerado.
Controle de sistemas biológicos
A primeira área de atuação do professor Khammash era engenharia de controles, e a sua paixão, cibergenética. Ele sempre trabalhou visando responder a questão: "É possível conceber um novo sistema de engenharia de controles a partir do zero?". Ele explica: "Existem dois modos de analisar essa questão, e os dois existem suas vantagens e desvantagens; sempre depende da aplicação visada."
A primeira proposta é a usada nesse estudo: controle externo de microrganismo com um computador. Isso requer uma interface entre o computador e o organismo biológico. Mesmo sabendo que existem grandes limitações a essa metodologia, essa proposta é válida, pois o programa externo (computador) fornece avançados algoritmos de controle e também pode ser ajustado rapidamente.
A segunda proposta consiste em implantar sistemas de controle biológico com componentes bioquímicos e moleculares no interior das células. "Na minha opinião, esse modo seria melhor, quando se analisa em aplicações ao longo prazo, como para terapia celular, desde que possam funcionar de modo autônomo, sem hardware extra," diz Khammash. "Porém, para a produção de biomoléculas em biorreator, um controle externo por meio de uma interface, como desenvolvemos aqui, é muito mais atraente."
Canais de cores adicionais
Até agora, os pesquisadores se basearam em apenas duas cores na interface desenvolvida, a fim de controlar a atividade de apenas uma enzima. "Pode-se imaginar ir além, desenvolver um sistema mais complexo, com cores adicionais que possa permitir um controle mais amplo," comenta Khammash. Assim, seria possível controlar mais de uma enzima ao mesmo tempo. Na produção de biomoléculas, as taxas de crescimento do microrganismo e de geração de produtos poderiam ser coordenados de maneira ótima, focando na superprodução de biomoléculas e na geração mínima de produtos secundários ou tóxicos.
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por Movimento Bioquímica Brasil
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