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Vamos iniciar nosso estudo, começando por este questionário.

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Vamos iniciar nosso estudo, começando por este questionário.

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Quero sua participação....

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O que sei sobre organelas citoplasmáticas

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Um resumo geral sobre organelas citoplasmáticas

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Um resumo geral sobre organelas citoplasmáticas

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Para iniciar seus estudos, vai aí um resumo ilustrativo para vocês!

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Capítulo do livro que trata também sobre as organelas

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Capítulo do livro que trata também sobre as organelas

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Já devem ter lido este capítulo antes, mas agora espero que se dediquem com mais atenção para a parte que trata sobre as organelas.

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Vídeo aula, bem completa sobre as organelas celulares

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Vídeo aula, bem completa sobre as organelas celulares

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Vídeo para auxiliar conhecer mais sobre as organelas

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Organelas citoplasmáticas - membrana plasmática, citoplasma, citoesqueleto, complexo golgiense

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Organelas Celulares : Estrutura celular e citoplasma - Animação 3D

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Organelas Celulares : Estrutura celular e citoplasma - Animação 3D

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No vídeo acima você irá descobrir quais são as principais organelas e suas funções.

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Neste material se encontra exercícios sobre organelas celulares com o intuito de auxiliar a fixação do conteúdo estudado.

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Para nos mantermos atualizados é importante acompanhar as novas descobertas

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Pesquisadores da Universidade Federal do ABC (UFABC) e da Universidade da Califórnia - Santa Bárbara (UCSB), nos Estados Unidos, descreveram, pela primeira vez, a existência de uma nova organela celular, cuja principal função seria limpar o ambiente celular de proteínas disfuncionais em momentos de estresse. O conhecimento exato dessa organela pode facilitar o tratamento de diversas doenças neurodegenerativas, como Alzheimer e Parkinson, entre outras.

O trabalho foi liderado por dois docentes da UFABC - Daniel Carneiro Carrettiero e Maria Camila Almeida, ambos do Centro de Ciências Naturais e Humanas -, em colaboração com o pesquisador Kenneth S. Kosik, da UCSBSegundo os autores, o funcionamento dessa nova organela é bastante particular e diferente do que já se conhece: ela não tem membrana e aparece somente quando é solicitada. Outras organelas desse tipo foram descritas recentemente, e essas novas e dinâmicas estruturas estão mudando a visão de como funciona a organização do interior celular - o que pode revolucionar as diferentes abordagens farmacológicos para as mais diversas patologias num futuro próximo.

Um ponto interessante, e ainda sob grande debate na comunidade científica, é como essas estruturas se sustentam por si sós, já que não possuem uma barreira física (membrana) que as separa do meio ao seu redor - são como gotas de óleo em água. Os pesquisadores acreditam que existam centenas de diferentes organelas não membranosas no ambiente celular, cada uma com uma composição e função distintas.

"É muito difícil estudar essas estruturas, pois são extremamente dinâmicas" explica o professor Carrettiero. "Quando você menos espera, ela não está mais ali. As vezes são necessários apenas 10 segundos para ela aparecer ou sumir. As coisas ficam um pouco mais fáceis quando começamos a entender os estímulos que a fazem aparecer". Esse fenômeno é descrito como separação de fase líquido-líquido, também conhecido como condensado ou grânulo. Essas estruturas contém um ambiente concentrado de diferentes moléculas, que maximizam reações moleculares.

"No nosso caso, a organela foi denominada 'condensado de BAG2', e é induzida por diferentes tipos de estresse", pontua o professor Carrettiero. "O estresse celular aumenta o aparecimento de diferentes agregados proteicos celulares. Isso é muito ruim para nós, pois a célula acaba não funcionando corretamente e morre. Sabemos hoje que muitas doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, por exemplo, possuem agregados proteicos. Parece-nos que essa nova organela contribui para a limpeza celular, prevenindo, possivelmente, a progressão dos agregados".

Representação de organelas não-membranosas intracelulares. Estas estruturas podem transitar rapidamente do estado solúvel para o estado condensado e vice-versa. (Imagem: Daniel Carneiro Carrettiero / UFABC).

O estudo original, intitulado Stress routes clients to the proteasome via a BAG2 ubiquitin-independent degradation condensate, foi publicado recentemente na revista Nature Communications, e pode ser acessado neste .

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Nova organela celular descoberta pode contribuir para o tratamento de doenças neurodegenerativas - Universidade Federal do ABC

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Pesquisadores da Universidade Federal do ABC (UFABC) e da Universidade da Califórnia - Santa Bárbara (UCSB), nos Estados Unidos, descreveram, pela primeira vez, a existência de uma nova organela celular, cuja principal função seria limpar o ambiente celular de proteínas disfuncionais em momentos de estresse.

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Organelas citoplasmática e o envelhecimento?

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Organelas citoplasmática e o envelhecimento?

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Já pensou como podem estar relacionadas as organelas com o envelhecimento?

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Estudo aponta eventos no início do envelhecimento celular

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Cientistas nos EUA fizeram experimentos com leveduras, um tipo de fungo.
Resultado pode ajudar a explicar fatores que influenciam longevidade.

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A síndrome de Leigh, doença neurodegenerativa severa e progressiva, foi descrita por Denis Leigh, em 1951, como uma patologia rara que faz parte do grupo das encefalopatias (Quadro 1) mitocondriais.

O metabolismo energético do portador é afetado através da alteração do processo de fosforilação oxidativa, causando um déficit na produção de Adenosina Trifosfato (ATP) celular. Dessa forma, qualquer sistema pode ser acometido, resultando, por exemplo, em alterações endócrinas, cardíacas e gastrointestinais. É importante destacar que o sistema nervoso é o mais afetado, pois é um dos sistemas que mais necessitam de energia (ATP) para seu bom funcionamento, o déficit de ATP acaba ocasionando fraqueza muscular, atraso do desenvolvimento psicomotor, alterações oftalmológicas, problemas respiratórios, entre outros.
Taxa de Ocorrência Populacional e Diferentes Etnias:
A taxa de incidência na população, de forma geral, é de 1 para 4.0000 nascidos vivos. Entretanto, em algumas regiões, esse número pode variar muito. Na região de Saguenay Lac-Saint-Jean, no Quebec, a taxa é de aproximadamente 1 para 2000. Enquanto nas Ilhas Faroe a taxa é de 1 para 1700 nascidos vivos.

A Síndrome de Leigh, apesar de ser uma doença rara, é a síndrome de alteração mitocondrial mais comum no primeiro ano de vida ². É uma patologia que pode se manifestar em bebês e crianças, geralmente entre 3 e 12 meses de idade, sendo também possível se expressar em adultos jovens. Seu avanço e morte geralmente ocorre em cerca de 2 anos.

Para entender um pouco mais essa síndrome, é necessário analisar, de forma geral, as funções e características mitocondriais. A mitocôndria (Figura 1) é uma organela membranosa encontrada em quase todas as células eucarióticas. Ela possui seu próprio material genético, duas membranas, uma interna e outra externa com um espaço intermembranoso entre elas, e a matriz mitocondrial que é delimitada pela membrana interna. Essa organela é a principal responsável pela produção de energia celular, na forma de ATP, usando açúcares, proteínas e gorduras obtidos, principalmente, através da alimentação. É por isso que alterações no material genético das mitocôndrias podem significar o acometimento de vários sistemas do corpo humano (Figura 2), uma vez que todos eles necessitam de energia em forma de ATP para um bom funcionamento.

Figura 1 - Mitocôndrias

Fonte: U.S. National Library of Medicine ¹⁴ editado por Carolina Angélico

Figura 2. Regiões que requerem maior gasto energético em humanos

Fonte: Pfeffer G. Chinnery PF ¹⁸ editado por Isabela Assunção

A mitocôndria é responsável pelo o que chamamos de respiração aeróbica celular que é aquela em que há uso do oxigênio disponível. Esse processo de respiração pode ser dividido em três partes: glicólise, Ciclo de Krebs e cadeia respiratória. Como resultado da respiração, obtemos moléculas de ATP (que são fonte de energia) ¹⁰.

O início dos sintomas ocorre inesperadamente, mas, em alguns casos, apresenta alguns sinais, como a febre, por exemplo. As manifestações clínicas da síndrome podem incluir :

Perda do controle da cabeça em crianças menores de um ano;

Convulsões;

Atraso motor;

Dificuldade na marcha;

Declínio cognitivo;

Ataxia: incapacidade de coordenação, principalmente dos movimentos voluntários;

Hipotonia: diminuição do tônus muscular;

Distonia: contração involuntária contínua, podendo acontecer contração simultânea dos músculos agonistas e antagonistas;

Anormalidades respiratórias com risco de hiperventilação ou apneia;

Disfunções gastrointestinais como diarreia, vômitos, dificuldade de sugar, disfunções na deglutição, entre outros;

Alterações oftalmológicas: oftalmoplegia (paralisia de um ou mais músculos oculares), nistagmo (movimento rítmico involuntário dos olhos), atrofia óptica (alterando o número de fibras nervosas ópticas que funcionam), estrabismo (desalinhamento entre os dois olhos).

A síndrome de Leigh (SL) é reconhecida como a doença mitocondrial mais comum na infância. Apresenta grande heterogeneidade (Quadro 1) do ponto de vista genético, por, atualmente, existirem relatos de mutações em mais de 50 genes responsáveis por causar a doença. Ela pode ser causada por mutações tanto no DNA nuclear como no DNA mitocondrial e, assim, diferentes formas de herança podem estar envolvidas: mendeliana (autossômica recessiva ou ligada ao cromossomo X) e mitocondrial(Figuras 3, 4 e 5). As mutações podem estar tanto no DNA mitocondrial, quanto no DNA nuclear (ou seja, nos cromossomos herdados dos pais), mas elas sempre resultarão em alterações na mitocôndria, independentemente de onde estiverem.

Figura 3 - Herança Autossômica Recessiva

Fonte: U.S. National Library of Medicine ¹⁵ editado por Carolina Angélico

Figura 4 - Herança Mitocondrial

Fonte: U.S. National Library of Medicine 16 editado por Carolina Angélico

Figura 5 - Herança Recessiva Ligada ao Cromossomo X

Fonte: U.S. National Library of Medicine ¹⁷ editado por Carolina Angélico

Para entender as possíveis alterações mitocondriais, é necessário discutir um pouco mais sobre as estruturas e funções desta organela. A respiração aeróbica celular, feita na mitocôndria, pode ser dividida em três partes principais: glicólise, ciclo de Krebs (ou ciclo do ácido cítrico) e cadeia respiratória (ou fosforilação oxidativa). A fosforilação acontece na membrana interna da mitocôndria e conta com a atuação de 5 complexos multiproteicos, numerados de I à V, e com a coenzima Q (CoQ10) e o citocromo c (Cyt c) que são transportadores de elétrons. O piruvato, advindo da quebra da glicose, é metabolizado por uma enzima com a finalidade de gerar doadores de elétrons que atuarão no ciclo de Krebs. Os complexos de I a IV fazem parte da cadeia respiratória e são responsáveis por direcionar o fluxo de elétrons resultantes do ciclo citado anteriormente. A transferência de elétrons gera energia que é usada na fosforilação oxidativa para bombear H+, através dos complexos, para o espaço intermembranoso, criando um grande gradiente de concentração desses prótons que será usado pela ATP sintase (ATPase), no complexo V, para a produção de ATP. Quaisquer alterações na enzima que metaboliza o piruvato, nos 5 complexos, na coenzima Q e no citocromo c podem causar essa patologia(Figura 6 - Cadeia de Transporte de Elétrons).Dessa forma, mesmo que a mutação esteja no DNA nuclear, o produto (proteínas) desse gene será utilizado para o funcionamento da mitocôndria, e se o gene estiver mutado, consequentemente, seu produto genético também estará, alterando as funções mitocondriais.

Figura 6 - Cadeia de Transporte de Elétrons

F onte: Elaborada pela autora.

Alterações no complexo I, também chamado de NADH, são umas das principais bases bioquímicas dessa patologia. Podem incluir, por exemplo, deficiências no NADH, alterando o processo de transporte de elétrons. Pelo menos 25 genes envolvidos na formação do complexo I, encontrados em DNA nuclear ou mitocondrial, foram associados à síndrome de Leigh. Os genes alterados podem ser, por exemplo: NDUFS4, NDUFV1, NDUFS1¹⁰.

O rompimento do complexo IV, também chamado de citocromo c oxidase ou COX, é outra causa comum da síndrome de Leigh, cujas alterações estão relacionadas a cerca de 15% dos casos da patologia. Um dos genes mais frequentemente mutados na síndrome de Leigh é o SURF1. Esse gene, encontrado no DNA nuclear, fornece instruções para a produção de uma proteína que ajuda a montar o complexo IV.

A mutação mais comum do DNA mitocondrial na síndrome de Leigh afeta o gene MT-ATP6, que fornece instruções para a produção de um pedaço do complexo V, também conhecido como complexo proteico da ATP sintase. A mutação mais ocorrente nele é a transversão 8993T>G.

Ou seja, como dito anteriormente, são muitas as mutações já encontradas que podem causar a Síndrome de Leigh (Tabela 1).

Tabela 1: principais genes mutados associados a síndrome e o local onde são encontrados

Fonte: Elaborada pela autora.

Na fecundação, o zigoto formado pela junção do ovócito e espermatozoide, idealmente, herda as mitocôndrias de sua mãe. Se a mãe possuir mutações em seu DNA mitocondrial, seus filhos, independente do sexo biológico, também apresentarão essas alterações. É importante ressaltar, portanto, que, apesar de ambos os sexos possuírem a mutação, normalmente a mulher que repassará essa alteração para as gerações futuras. Entretanto, há a possibilidade de acontecer o chamado vazamento de mitocôndrias paternas, de tal forma que os filhos passarão a herdar essas organelas não mais só de sua mãe, mas também de seu pai ¹².

Outros aspectos importantes na herança da síndrome:

A síndrome pode ser expressa por heteroplasmia (Quadro 1), isto é, quando algumas células que contém moléculas de DNA mitocondrial possuem a mutação, que serão repassadas através da divisão celular, e outras não (Figura 7) ⁹.

Figura 7- Células sofrendo divisão e replicação contendo mitocôndrias mutadas e não mutadas

Fonte: elaborada pela autora.

Assim, a proporção de alterações no DNA mitocondrial vai se alterando entre as células mãe e filha. Em certo ponto, quando essa diferença de proporção for significativa, pode acontecer o chamado efeito limiar (Quadro1), ocasionando mudanças fenotípicas (Figura 8). Os sintomas geralmente aparecem quando há grande quantidade de DNA mutado, normalmente quando o nível é superior a 90%. Dessa forma, é comum que algumas pessoas demorem um pouco mais para manifestar essa patologia.

Figura 8- Efeito de limiar/Threshold

Fonte: elaborada pela autora.

Formas de diagnóstico ⁴ :

Histórico médico: se há consanguinidade, casos similares na família, aborto recente; se há regressão psicomotora ou perda de habilidades adquiridas; exclusão da possibilidade de diagnóstico de outras doenças como asfixia perinatal, intoxicação por monóxido de carbono, doença de Wilson, entre outros;

Exame físico: procurando por sintomas sugestivos como os citados anteriormente;

Exames laboratoriais: nível de ácido lático procurando por uma possível acidose; painel laboratorial geral com parâmetros hepáticos, renais, nível de amônia, entre outros;

Ressonância magnética: por meio de RM, as anormalidades consistem em lesões focais bilaterais dos gânglios basais e/ou tronco cerebral;

Tomografia computadorizada (TC): evidência imagens hipodensas nos núcleos da base. Geralmente, as alterações possíveis de serem vistas em exames computadorizados, se localiza nos núcleos da base, tálamo, tronco cerebral e medula espinhal (Figura 9).

Figura 9 - Regiões do cérebro com possível alteração no portador da síndrome.

Fonte: National Institute on Aging / National Institutes of Health ¹⁹. Editado por Livea Silva.
4. Fisioterapia:
A Fisioterapia, junto a outros tratamentos, busca melhorar a qualidade de vida dos pacientes com a síndrome, manter a funcionalidade restante e aumentar a expectativa de vida que é, geralmente, muito baixa ⁵.

Programas de Fisioterapia com intervenção precoce também são efetivos para ajudar no desenvolvimento neurológico de pacientes com a síndrome ⁴.

O estudo de Oommen et al. (2019) mostrou que um programa de Fisioterapia voltado para a reabilitação de uma criança de 7 anos teve bons resultados, com melhorias em ações como sentar, ficar em pé e andar.

Tendo em vista que os sistemas mais afetados são o muscular, o nervoso e o respiratório, o fisioterapeuta é capacitado para atuar nesses aspectos, visando dar uma melhor qualidade de vida e alta chance de melhora funcional para esses pacientes ⁶. Um exemplo dessa atuação é o uso de exercitadores respiratórios - aparelhos destinados ao treino da respiração do paciente que auxiliam o desempenho muscular do pulmão e sua capacidade respiratória, aumentando a oxigenação ⁷.

Na síndrome de Leigh, os objetivos fisioterapêuticos têm como finalidade a diminuição da espasticidade (hipertonia e hiperreflexia) em MMSS (membros superiores) e MMII(membros inferiores), o ganho de amplitude de movimento, o ganho de controle de tronco e cervical, a melhora dos movimentos de flexão e extensão de MMII e MMSS e a melhora da função respiratória ⁶. O estudo de Gonzáles et al. (2002) mostrou que as metas de um programa de reabilitação são reduzir a incapacidade e aperfeiçoar a função. Os alongamentos dos músculo tendinosos devem ser lentos e realizados diariamente para manter a amplitude de movimento e reduzir o tônus muscular.
Quadro 1 . GLOSSÁRIO

É quando atinge uma proporção significativa de DNA mutado, e o indivíduo começa a ter manifestações fenotípicas.

É uma condição na qual há presença de DNA mitocondrial mutante e o selvagem(normal), dentro das mitocôndrias, ocorrido em uma situação aleatória.

5. Produto produzido sobre Síndrome de Leigh Link para o blog sobre Síndrome de Leigh 6. Equipe:

Lorenna J. Gatto Lívea C. da Silva Carolina Angelico Isabela Assunção Eduarda Senni

Bragança da Silva
7. Bibliografia

1. ROMA, A. C. et al. Síndrome de Leigh: relato de caso. Arquivos brasileiros de oftalmologia, vol. 71, p. 118-121, 2008.

2. LOPES, T. et al. Síndrome de Leigh: a propósito de um caso clínico com mutação no DNA mitocondrial. Revista paulista de pediatria : órgão oficial da Sociedade de Pediatria de São Paulo, vol. 36, p. 519-523, 2018.

3. SOFOU, K. et al. A multicenter study on Leigh syndrome: disease course and predictors of survival. Orphanet journal of rare diseases, vol. 9, nº artigo 52, 16 páginas, 2014.

4. BAERTLING, F. et al. A guide to diagnosis and treatment of Leigh syndrome. Journal of neurology, neurosurgery, and psychiatry,vol. 85, p. 257-265, 2014.

5. OOMMEN, F. S. et al. Physiotherapy and Its Implications on Functional Disability in a Child with Leigh's Syndrome: An Interesting Case Report. Indian Journal of Physiotherapy and Occupational Therapy, vol. 13, p. 38-40, 2019.

6. NASCIMENTO, C. E. et al. Tratamento fisioterápico na síndrome de Leigh: estudo de caso. Journal of the Health Sciences Institute, vol. 31, p. 330-334, 2013.

7. PRESTO, B.; DAMÁSIO, L. Fisioterapia respiratória. 4ª ed. Elsevier Brasil, 2009.

8. CALDERÓN-GONZÁLEZ, R. et al. Tratamiento de la espasticidad en parálisis cerebral con toxina botulínica. Revista de neurología (Ed. impressa), vol. 34, p. 52-59, 2002.

9. RIBEIRO, B. S. Caracterização clínica, neurorradiológica e genética de pacientes com síndrome de Leigh. Dissertação (Mestrado em Medicina) - Faculdade de Medicina, Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, p. 108. 2015.

10. 1 LAKE, N.J.; COMPTON, A.G.; RAHMAN, S.; THORBURN, D. R. Leigh syndrome: One disorder, more than 75 monogenic causes. Annals of neurology, vol. 79, p. 190-203, 2016.

11. LEIGH Syndrome. MedlinePlus, 2016. Disponível em: <https://medlineplus.gov/genetics/condition/leigh-syndrome/#references&gt;. Acesso em 2 dez. 2020.

12. LADOUKAKIS, E. D.; EYRE-WALKER, A. Evolutionary genetics: direct evidence of recombination in human mitochondrial DNA. Heredity, vol. 93, p. 321, 2004.

13. OSELLAME, L. D.; BLACKER, T. S.; DUCHEN M. R. Cellular and molecular mechanisms of mitochondrial function. Best practice & research. Clinical endocrinology & metabolism, vol. 26, p. 711-723, 2012.

14. MEDLINEPLUS Genetics. Disponível em: <https://medlineplus.gov/images/PX00004O_PRESENTATION.jpeg;. Acesso em 2 dez. 2020.

15. MEDLINEPLUS Genetics. Disponível em: <https://medlineplus.gov/images/PX0000A4_PRESENTATION.jpeg;. Acesso em 2 dez. 2020.

16. MEDLINEPLUS Genetics. Disponível em: <https://medlineplus.gov/images/PX00005K_PRESENTATION.jpeg;. Acesso em 2 dez. 2020.

17. 17. MEDLINEPLUS Genetics. Disponível em: <https://medlineplus.gov/images/PX000068_PRESENTATION.jpeg;. Acesso em 2 dez. 2020.

18. MITOCHONDRIAL Disease Symptons. Disponível em: <https://www.mitoaction.org/symptoms/&gt;. Acesso em 4 jan. 2021.

19. NATIONAL INSTITUTE ON AGING / NATIONAL INSTITUTES OF HEALTH. Brain side view. Disponível em: https://www.flickr.com/photos/nihgov/24414866102/in/album-72157663368688842/. Acesso em 08 jan. 2021.

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A síndrome de Leigh, doença neurodegenerativa severa e progressiva, foi descrita por Denis Leigh, em 1951, como uma patologia rara que faz parte do grupo das encefalopatias (Quadro 1) mitocondriais. O metabolismo energético do portador é afetado através da alteração do processo de fosforilação oxidativa, causando um déficit na produção de Adenosina Trifosfato (ATP) celular.

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Neste vídeo a professora apresenta a relação entre o DNA mitocondrial e a hereditariedade materna. Não deixe de assisitir

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Núcleo de Estudos em Saúde e Qualidade de Vida

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Cientistas descobrem organela "invisível" que ajuda a prevenir a ocorrência de câncer, uma vez que essas organelas garantem a boa separação do material genético durante a divisão celular diminuindo a formação de mutações genéticas.

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Neste link você irá descobrir as vantagens de se utilizar a trangênia diretamente nas organelas, que possuem seu proprio material genético.

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Quando falamos a respeito da Biotecnologia vegetal, logo pensamos nas técnicas de engenharia genética que permitem obter plantas geneticamente modificadas. Mas vocês sabiam que a inserção de genes para conferir características desejáveis em uma planta não é realizada somente "engenheirando" o material genético do núcleo? Neste texto vamos falar do cloroplasto e como a engenharia genética dessa organela pode ser útil para aprimorar as aplicações biotecnológicas.

Quase todo mundo deve se recordar das aulas de biologia, lá no ensino médio, em que aprendemos a respeito do processo da fotossíntese, importante para o desenvolvimento de plantas e algas. E logo lembramos do cloroplasto, uma organela celular essencial onde esse processo ocorre. Uma única célula vegetal pode conter vários cloroplastos no seu interior. Essas organelas desempenham, além da fotossíntese, funções como a assimilação de nitrogênio e a biossíntese de moléculas.

Talvez o que muitos não saibam ou não se recordam é que, assim como as famosas mitocôndrias, os cloroplastos possuem seu próprio material genético, o que lhe dá bastante autonomia para regular suas funções. Inclusive, o DNA dessa organela tem uma estrutura circular bastante parecida com os plasmídeos bacterianos e está presente em várias cópias no interior da organela.

Fotomicrografia de células vegetais da espécie Cladopodiella fluitans. Os cloroplastos são as estruturas esféricas na cor verde, visualizados no interior das células. Fonte: Hermann Schachner #ParaTodosVerem: A fotomicrografia ilustra um tecido vegetal contendo diversas células, lado a lado. Dentro de cada célula, estão estruturas esféricas que correspondem aos cloroplastos, os quais dão uma cor verde para o tecido.

Mais de 800 espécies de plantas já tiveram o DNA de seus cloroplastos sequenciado, e neles estão presentes cerca de 120 genes. O fato do DNA dessa organela ser parecida com os plasmídeos bacterianos, muito utilizados em engenharia genética, possibilitou que a Biotecnologia encontrasse formas de engenheirá-lo. Essa engenharia nos permite obter plantas ou microalgas mais eficientes em expressar uma característica desejável ou produzir uma substância de interesse em maiores quantidades. Mas o quão vantajoso é modificar o material genético de cloroplastos?

A primeira vantagem é que a célula sexual masculina, o pólen, não contém essas organelas. Isso garante que o gene introduzido no DNA do cloroplasto não será transmitido à outras plantas selvagens através da dispersão do pólen no meio ambiente. Desse modo, temos um processo biotecnológico mais ecológico e seguro, pois evita que riscos de cruzamento entre plantas selvagens e transgênicas possam gerar perda da biodiversidade. A transferência do gene introduzido nos cloroplastos, então, será realizada somente da planta mãe para as plantas filhas.

Outra vantagem é que uma célula vegetal tem uma quantidade elevada de cloroplastos no seu interior. Isso significa que existem várias cópias do mesmo DNA nessas organelas que poderão expressar o gene de interesse de forma a aumentar a produção da proteína desejada. Quando se introduz um gene diretamente no DNA do núcleo das células, a produção da proteína pode ser muito pequena. E em muitos casos, dependendo de onde o gene foi inserido, a atividade do gene pode até ser inibida.

Toda planta geneticamente modificada que recebeu um inserto de DNA no genoma de seus cloroplastos é chamada de planta transplastômica. Todo o processo é realizado a partir datecnologia do DNA recombinante. Primeiro, é preciso introduzir um DNA recombinante no interior dos cloroplastos para que o gene de interesse seja inserido em uma região do DNA da organela através da recombinação homóloga.

Geralmente, a técnica de Biobalísticaé utilizada para que o DNA recombinante consiga entrar dentro das células vegetais e atravessar a dupla membrana dos cloroplastos. Posteriormente, as células são regeneradas em meio nutritivo dando origem a brotos.

Como não são todas as cópias do DNA de um cloroplasto que recebem o gene de interesse, os primeiros brotos são cultivados por técnicas de Biotecnologia vegetal para originar vários outros brotos até que todas as células contenham praticamente todos os cloroplastos engenheirados. Isso é possível porque essas organelas podem multiplicar seu DNA, além de se dividirem para transferir cópias do DNA para as organelas filhas.

Figura ilustrando o processo de obtenção de uma planta transplastômica. A) Da esquerda para direita: inserção do DNA recombinante que carrega o gene de interesse no interior das células vegetais pelo método de Biobalística; regeneração das células sobreviventes em meio nutritivo que seleciona apenas aquelas que receberam o inserto no DNA dos cloroplastos; desenvolvimento de um broto primário; desenvolvimento de outros brotos secundários cultivados a partir do broto primário. B) Da esquerda para direita: célula vegetal selvagem com o DNA dos cloroplastos não engenheirados (esferas em azul); as outras três imagens ilustram que a medida que os brotos são cultivados, os cloroplastos que apresentam alguma cópia de seu DNA engenheirado (esfera em verde) geram mais cópias contendo o gene de interesse. O processo de divisão dos cloroplastos também gera células que em determinado momento apresentam todas essas organelas engenheiradas. Fonte: modificado de Lenzi et al. 2011.

Maior expressão de características de interesse
A engenharia genética de cloroplastos pode ser muito útil para garantir que determinadas características sejam mais expressas em uma planta transplastômica. Um exemplo de sucesso se trata de um estudo onde foi realizada a inserção de um gene responsável pela produção da toxina da bactéria Bacillus thuringienses nos cloroplastos de plantas do tabaco. Nesse estudo observou-se que a toxina foi produzida em altas quantidades em suas folhas. Essa toxina é consideradaum biopesticida porque tem efeito tóxico contra lagartas de insetos pragas.

Figura ilustrando um experimento onde folhas de tabaco transplastômicas que produzem a toxina de Bacillus thuringienses são resistentes ao ataque de lagartas. Fonte: McBride et al. 1995 #ParaTodosVerem: À esquerda, folhas que não produzem a toxina foram devoradas por lagartas. À direita, as folhas geneticamente modificadas com cloroplastos produzindo a toxina foram resistentes ao ataque de lagartas que tentaram se alimentar e foram intoxicadas.

Outras características de interesse agronômico também podem se apresentar mais pronunciadas em plantas transplastômicas. Alguns exemplos são plantas que receberam genes que conferem resistência a altas e baixas temperaturas, a herbicidas, a vírus ou que promovem uma maior produção de hormônios e vitaminas que auxiliam no desenvolvimento.
Aprimorando a fotossíntese
Outra aplicação bastante utilizada pelos cientistas é a tentativa de aumentar a eficiência fotossintética das plantas a partir da modificação ou inserção de genes no cloroplasto. A ideia é que plantas transplastômicas possam aproveitar melhor a luz solar para o seu desenvolvimento, fixando maiores quantidades de carbono e promovendo uma maior produção de açúcar e biomassa. Essas características aprimoradas podem ser promissoras para aumentar a produção de biodiesel e também de alimentos.

A enzima RuBisCo (abreviação para a ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase oxigenase) é um dos principais alvos da engenharia genética de cloroplastos, uma vez que ela atua no processo central de fixação de carbono. Como a atividade dessa enzima varia entre diversas espécies de plantas, o que os cientistas costumam fazer é estudar aquelas plantas que apresentam uma maior atividade da enzima, isolar o gene codificador desta e inseri-lo no material genético de cloroplastos de plantas de interesse econômico que não são tão eficazes em realizar a fotossíntese.
Biofábricas de plantas
A forma de produção de biofármacos realizada em bactérias ou leveduras transgênicas requer processos industriais com um custo muito elevado. Uma alternativa a esses problemas seria o estabelecimento de biofábricas de plantas transplastômicas que poderiam produzir essas substâncias terapêuticas de forma mais econômica. Em outras palavras, a ideia seria cultivar essas plantas em hortas hidropônicas, liofilizar suas folhas contendo altas quantidades do biofármaco e encapsula-las para comercialização a um preço menor.

Alguns estudos já apontam que há uma maior estabilidade dos biofármacos obtidos por meio de plantas transplastômicas em nosso organismo. Isso se deve ao fato de que as células vegetais contém uma parede celular muito rígida que protege o biofármaco das enzimas e ácidos do estômago. Dessa forma, somente no intestino é que as bactérias ali presentes irão degradar a parede celular das células liofilizadas para liberar o biofármaco para a corrente sanguínea.

Em 2015, um grupo de cientistas dos EUA conseguiu cultivar uma biofábrica de alface transplastômica que produz o fator de coagulação IX, utilizado no tratamento da Hemofilia B. Eles viram que os cloroplastos engenheirados das células da alface conseguiam produzir altas quantidades do biofármaco e ainda verificaram efeitos terapêuticos positivos quando cápsulas liofilizadas de folhas de alface foram administradas de forma oral a camundongos hemofílicos.

Processo biotecnológico de produção de cápsulas vegetais contendo o fator de coagulação IX para tratamento da hemofilia B a partir de biofábricas de alface transplastômica. Fonte: modificado de Su et al. 2015. #ParaTodosVerem: À esquerda, de cima para baixo: alface cultivada em larga escala (plantas em verde) em um sistema hidropônico; uma folha de alface coletada; um equipamento que realiza a liofilização das folhas de alface. À direita, de baixo para cima: folhas de alface secas e congeladas (verde) em um recipiente; folhas de alface transformadas em pó (verde) em um recipiente; equipamento para encapsular o alface em pó; cápsulas em forma de bastão na cor verde, contendo alface em liofilizado.

A idealização das biofábricas vegetais é interessante para quem sabe no futuro, além da produção de biofármacos, podermos ter plantas que possam produzir maiores quantidade de vitaminas e outras substâncias de valor nutritivo.

Além das plantas, outras aplicações baseadas na engenharia genética de cloroplastos também podem ser obtidas a partir das microalgas fotossintéticas, que vão desde a possibilidade de produção de antígenos para compor vacinas, até a obtenção de enzimas e biomateriais.

Engenheirar o material genético de cloroplastos pode ser uma modalidade muito importante para obter plantas ou algas com determinadas características de interesse agrícola, industrial e econômico. E a pesquisa básica para entender como essa organela funciona é essencial para que a Biotecnologia possa ser utilizada de forma eficiente.

Texto revisado Luísa Valério e Ísis V. Biembengut

Cite este artigo:
ABREU, F. C. P. O mundo secreto da engenharia genética de cloroplastos. Revista Blog do Profissão Biotec, v.9, 2022. Disponível em: < https://profissaobiotec.com.br/mundo-secreto-engenharia-genetica-cloroplastos/>. Acesso em: dd/mm/aaaa.
Referências:
ADEM, Muhamed; BEYENE, Dereje; FEYISSA, Tileye. Recent achievements obtained by chloroplast transformation. Plant Methods, v. 13, n. 1, p. 1-11, 2017.
HANSON, Maureen R.; GRAY, Benjamin N.; AHNER, Beth A. Chloroplast transformation for engineering of photosynthesis. Journal of experimental botany, v. 64, n. 3, p. 731-742, 2013.
LENZI, P et al. Plastid transformation for production of vaccines & therapeutic proteins. Future Medicine Ltd. 2011.
MCBRIDE, Kevin E. et al. Amplification of a chimeric Bacillus gene in chloroplasts leads to an extraordinary level of an insecticidal protein in tobacco. Bio/technology, v. 13, n. 4, p. 362-365, 1995.
SU, Jin et al. Low cost industrial production of coagulation factor IX bioencapsulated in lettuce cells for oral tolerance induction in hemophilia B. Biomaterials, v. 70, p. 84-93, 2015.
Fonte da imagem de destaque: Wikimedia.

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O mundo secreto da engenharia genética de cloroplastos

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Quando falamos a respeito da Biotecnologia vegetal, logo pensamos nas técnicas de engenharia genética que permitem obter plantas geneticamente modificadas. Mas vocês sabiam que a inserção de genes para conferir características desejáveis em uma planta não é realizada somente "engenheirando" o material genético do núcleo?

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