Sequestro de CO²

O fitoplâncton geneticamente modificado pode ser usado para converter fotossinteticamente o CO2 em um meio de seqüestro de carbono ultra-estável. Uma abordagem biológica permite uma tecnologia programável e auto-replicável que possa funcionar em qualquer escala. Quando acoplados à fixação fotossintética de carbono, os organismos geneticamente modificados apresentam uma abordagem incrivelmente escalável para remoção de dióxido de carbono (CDR). Propomos aproveitar o vasto potencial fotossintético não utilizado de nossos oceanos com o fitoplâncton de sequestro de carbono geneticamente modificado.

O problema é que a maioria dos bons lugares para se fazer fotossíntese já está tomada. Este mapa mostra onde a fotossíntese é mais e menos ativa. Como mostra o mapa, grandes porções do oceano carecem dos nutrientes necessários para a fotossíntese. Essas mesmas áreas recebem muita energia solar e podem ser uma abordagem incrivelmente poderosa para o CDR. Novas abordagens de biotecnologia podem aumentar drasticamente a capacidade fotossintética do nosso planeta. Esta seção explora como podemos usar a biologia existente de novas maneiras ou até criar uma nova biologia para transformar o oceano em um imenso reservatório de carbono movido a luz usando fitoplâncton geneticamente modificado.

 

AQUI ESTÁ A MATEMÁTICA

A fixação mais rápida de CO2 registrada pela biologia existente / conhecida é de leitos de algas fotossintéticos, que podem consertar 4,4 kg de carbono ou cerca de 16,3 kg de CO2 / ano. Seremos conservadores e diremos que nossos leitos de algas fixam 2,5 kg de C por metro quadrado por ano e 2,5 kg de C resultam em 9.167 kg de CO2. Portanto, se conseguirmos consertar 9.167 kg de CO2 por metro quadrado por ano, qual a área necessária?

A superfície do oceano é de 5,1E8 quilômetros quadrados * 1E6 metros quadrados / km² = 5,1E14 metros quadrados.

Se multiplicarmos esse tempo a taxa máxima de assimilação de CO2 dos leitos de algas, que iremos dizer é de 9.167 kg de C por metro quadrado por ano, podemos assimilar cerca de 4,67E15 kg de CO2 por ano

Isso funciona para ~ 4675 Gt de CO2 / ano, se todo o oceano estiver aspirando CO2 a toda velocidade (essa estimativa ignora alguns detalhes)

Felizmente, precisamos apenas sequestrar 20 a 40 Gt.

* 4,67E15 kg = 4,67E12 toneladas = 4,67E9 quilotons = 4,67E6 megatons = 4,67E3 toneladas
Se existe todo esse espaço livre para crescer, por que os oceanos não estão cheios de vida fotossintética? Acontece que a superfície do oceano é baixa em alguns minerais que são críticos para o crescimento microbiano e atividade fotossintética. Além desses minerais, o oceano tem tudo o que é necessário para resolver esse problema: muita água, luz solar e CO2. Se pudéssemos descobrir uma maneira de resolver as necessidades minerais do fitoplâncton, todo o oceano poderia se tornar um poderoso sumidouro de carbono, além de uma nova fronteira para o crescimento econômico.
Existem duas maneiras de resolver esse problema: obter os minerais ausentes onde são necessários (fertilização) ou eliminar a necessidade de minerais todos juntos. Começaremos com o que é possível hoje e abordaremos o que alguns podem considerar ficção científica. De qualquer maneira, a biologia atual não funcionará.

Cultivo e despejo / cultivo e distribuição baseados em barco

A abordagem mais direta para o uso de uma estratégia de fitoplâncton é tratá-la como um grande problema de logística: como produzimos e distribuímos fitoplâncton suficiente para reduzir o CO2. Por exemplo, podemos imaginar o uso de 1.000 navios rebocando biorreatores fotossintéticos gigantes que constantemente geram um fitoplâncton geneticamente modificado. Cada vez que a população de fitoplâncton dobra (que pode ser tão rápida quanto a cada 2 horas em condições ideais) [1], metade pode ser despejada no mar, onde os micróbios passam do “modo de crescimento” para o “modo CDR”.

O fitoplâncton foi projetado para produzir uma variedade de diferentes materiais de forma renovável. Imaginamos um fitoplâncton projetado para converter luz solar e CO2 em um bioplástico quimicamente estável. Uma vez que o fitoplâncton esteja no modo de seqüestro de carbono, eles colocariam toda a sua energia fotossintética no seqüestro de CO2 em um meio estável de seqüestro bioplástico / carbono. Esse material poderia afundar no fundo do fundo do mar, onde permaneceria isolado ou seria colhido.

 

Definições e unidades

Alcalinidade - Constituintes de uma solução ou corpo de água, que são bases químicas que podem neutralizar ácidos. Rochas alcalinas produzem alcalinidade quando se dissolvem.

BECCS - produção de energia por combustão de biomassa vegetal, com a captura e armazenamento do dióxido de carbono resultante; uma forma de produção de energia com emissões negativas.

Bicarbonato - um composto químico composto de hidrogênio, carbono e oxigênio, com a fórmula - HCO3. Este é um constituinte iônico dissolvido muito comum da hidrosfera / oceano da Terra e é a forma mais abundante de carbono na superfície da Terra. Certos tipos de bicarbonato têm usos importantes, por exemplo, bicarbonato de sódio, NaHCO3 ou bicarbonato de sódio.

CO2 - dióxido de carbono; um gás incolor e inodoro emitido pela combustão de combustíveis fósseis e outros processos industriais, pelo metabolismo da biota e por processos vulcânicos e geotérmicos.

DAC - a captura e concentração de CO2 atmosférico por meios químicos e / ou físicos de engenharia cujo produto final é o CO2 concentrado que pode ser armazenado ou usado.

Gt - 1 bilhão de toneladas, ou toneladas, por exemplo, 1 Gt de CO2 é equivalente a cerca de 70 dias de emissões de CO2 nos EUA. O CO2 de 1 Gt preencheria cerca de 180.000 dirigíveis da Goodyear (que não voariam porque o CO2 é mais pesado que o ar).

H2 - gás hidrogênio; tipicamente formado pela divisão de água ou metano.

IPCC - Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas, sob os auspícios das Nações Unidas

kWh - 1.000 watts / hora de energia.

NE - emissões negativas de CO2 ou remoção de dióxido de carbono da atmosfera, causadas por vários processos naturais e de engenharia.

OTEC - Conversão de Energia Térmica no Oceano; um método de conversão do potencial vertical de energia térmica no oceano em energia elétrica.

Tonelada - 1 tonelada métrica = 1,1 tonelada americana = 2204,6 libras.

TWh - 1 trilhão de watts-hora de energia; 1 Wh é a energia necessária para acender uma lâmpada de 60 watts por 1 minuto. 1 TWh = cerca de 2 horas de consumo de energia pelos EUA. Consumo mundial de energia = 160.000 TWh por ano.

Embora a maioria das outras idéias envolva muita pesquisa científica, essa é principalmente um problema de engenharia / infraestrutura (embora a engenharia de um fitoplâncton capaz de direcionar CO2 para bioplásticos exija desenvolvimento). Existem algumas perguntas importantes a serem consideradas.

Primeiro, o oceano é enorme. Para cobrir a superfície com fitoplâncton suficiente, precisaríamos de muitos barcos. Mas quantos barcos? Segundo, é importante que o fitoplâncton seja espalhado. Se eles estiverem muito próximos, obteremos apenas um esgotamento local de CO2. Terceiro, por quanto tempo o fitoplâncton seria capaz de seqüestrar CO2 antes de morrer? Quarto, o que acontece com toda essa biomassa?

Essas são perguntas difíceis de responder e essas são apenas as considerações de primeira ordem. Mas para fazer a bola rolar, montamos uma estrutura que pode ajudar a impulsionar o pensamento adiante.

 

Estimativa de barcos e cobertura da superfície do mar

Vamos supor que um barco possa andar a 50 km / h muito rápido. Este barco levaria 12,5 dias para fazer uma viagem por 15.000 km em linha reta (o que poderia levá-lo através do Pacífico, dependendo de onde você mede). Digamos que este barco esteja crescendo e despejando o fitoplâncton CDR ao mar. Qual a rapidez com que o fitoplâncton se afasta do barco quando é jogado no mar? Seremos extremamente generosos e diremos que o fitoplâncton flutua / difunde para longe de onde foram despejados a uma taxa de 5 km / h perpendicular à direção do barco. Isso significa que, nos 12,5 dias necessários para atravessar o Pacífico, o primeiro fitoplâncton terá percorrido no máximo 1500 km em qualquer direção. Um triângulo de base = 1500 km * 2 = 3000 km e altura = 15.000 km fornece uma área de cerca de 2,25E7 km2 (a superfície do Oceano Pacífico = 1,65E8),

No entanto, o que realmente precisamos descobrir é a zona ativa de CDR desse triângulo. Isso se baseia na concentração, no tempo de vida e na capacidade de CDR do fitoplâncton no triângulo crescente, em função do tempo, distância e proximidade com outros fitoplâncton. Digamos que 1% da esteira de fitoplâncton do barco está CDR ativo - isso nos daria cerca de 13% / 100 = 0,13% da área de superfície do oceano Pacífico, sendo um coletor de CDR ativo, capaz de usar energia solar para seqüestrar CO2. Mas se conseguíssemos 1.000 barcos trabalhando nisso, poderíamos cobrir cerca de 0,13% * 1000 = 130% do Oceano Pacífico a cada 12,5 dias. Ou cerca de 13% do oceano a cada 1,25 dias. Ou cerca de 1,3% do oceano a cada poucas horas.

Quanto fitoplâncton é necessário?

A próxima pergunta é a quantidade de biomassa fitoplanctônica necessária para isso. Muito. Embora dependa de quanto CO2 1 kg de fitoplâncton pode sequestrar. Se a proporção de fitoplâncton para seqüestro de CO2 é de 1: 1 por ano, então precisamos de 55 Gt de fitoplâncton, ou aproximadamente 55 quilômetros cúbicos de fitoplâncton. Um biorreator de 55 quilômetros cúbicos provavelmente não caberá na parte de trás do nosso barco. (Para referência, 1 tonelada de água = 1000 kg de água = 1 metro cúbico E, 1 metro cúbico de água * 1000 m_X / km_X * 1000 m_Y / km_Y * 1000 m_Z / km_Z = 1e9 toneladas por 1 km ^ 3).

O desafio disso é que, se capturarmos CO2 com um organismo e depois afundá-lo, precisamos continuar cultivando novos organismos, o que significa que precisamos fornecer mais minerais. Em outras palavras, há um custo para produzir biomassa. No entanto, se projetarmos um fitoplâncton especial capaz de armazenar CO2 não como biomassa fitoplanctônica adicional, mas como um bioplástico superestável ou outro meio de seqüestro, então cada quilograma de fitoplâncton poderá converter CO2 continuamente, mesmo quando não houver nutrientes . Em vez de crescimento, colocará toda a energia solar na captura de carbono. Isso significa que obtemos mais energia CDR de cada kg de fitoplâncton.

Digamos que projetemos um fitoplâncton especial capaz de armazenar CO2 como um bioplástico superestável. Quanto ganha pelo dinheiro que ganhamos? Se criarmos um fitoplâncton que pode seqüestrar 10 vezes seu peso corporal em CO2, precisaríamos de cerca de 5,5 Gt, ou 5,5 quilômetros cúbicos de fitoplâncton, para sequestrar 55 Gt de CO2 por ano. Se conseguirmos criar um fitoplâncton capaz de sequestrar 100X seu peso corporal, isso está chegando ao alcance da doabilidade; precisaríamos apenas de 0,55 Gt! Isso é cerca de meio quilômetro cúbico. Isso pode ser possível com 1000 barcos, todos rebocando biorreatores enormes atrás deles.

E uma coisa a lembrar é que estamos falando de 100X por ano. Isso resulta em colocar cerca de um terço de um por cento do CO2 em um bioplástico por dia. Uma proporção de 1: 1000 por ano significaria que o fitoplâncton precisaria adicionar apenas cerca de 3% em relação à sua massa corporal todos os dias. Isso nos levaria a uma massa de fitoplâncton de cerca de 55 megatons. É um cubo com bordas de cerca de 380 metros.

[1] Além disso, o fitoplâncton cresce super rápido com CO2 extra. Portanto, o desperdício de CO2 das usinas de energia pode ser engarrafado e usado para acelerar o crescimento desses bugs.

Comportamentos complexos / megaestruturas microbianas auto-montantes e auto-replicantes e auto-fertilizantes

As bactérias podem ser programadas com comportamento complexo [2]. Pode ser possível aplicar abordagens mais complexas ao fitoplâncton. Imagine executar um "script python biológico" no fitoplâncton. Isso pode abrir todos os tipos de aplicativos interessantes. Por exemplo, um fitoplâncton pode ser programado de tal maneira que possa migrar para coletar os nutrientes necessários ou se auto-montar em uma gigantesca infraestrutura oceânica, usando apenas CO2 e luz solar.

Então, vamos imaginar um fitoplâncton capaz de crescer em vários "modos" diferentes. Eles podem crescer como insetos que nadam livremente ou podem se agregar em uma grande almofada flutuante fotossintética como entidade. No modo lírio, eles formariam um ótimo sistema de CDR auto-replicante até ficarem sem nutrientes minerais. Há uma tonelada de nutrientes no fundo do oceano. Nosso lírio pode decidir mudar a flutuabilidade e afundar no fundo do oceano para obter mais nutrientes.

Outra abordagem possível que poderia fazer uso do mesmo conceito básico de comportamento celular complexo é criar fitoplâncton que se auto-monta em megaestruturas gigantes. Provavelmente isso poderia ser feito fora da costa, onde a biologia seria fácil de fertilizar. Alguns quilotons de fitoplâncton podiam crescer e nadar até que decidissem mudar para o modo de montagem automática. Eles podem se auto-montar em um enorme tubo de quilômetros de comprimento. Imagine um tubo de 1000 m de altura, com paredes com 0,1 metro de espessura e cerca de 1 metro de diâmetro (pi ~ 3 metros de circunferência). Isso resultaria em cerca de 300 metros cúbicos de material ou cerca de 0,3 quilotons.

Essa tecnologia pode ser programada para ter um comportamento realmente útil. Um lado do enorme tubo poderia flutuar em direção à superfície do mar e brotar estruturas semelhantes a folhas, enquanto o outro lado poderia afundar no fundo do oceano e se fixar no fundo do oceano, soltando “raízes”. Teríamos essencialmente construído uma entidade primitiva em forma de árvore.

 

 

Se o construirmos corretamente, o centro oco poderá extrair nutrientes minerais do fundo do oceano e entregá-los à superfície fotossintética do mar. Isso poderia fertilizar o crescimento de mais megaestruturas auto-montadas. Dependendo da disponibilidade de nutrientes, essas entidades poderiam ser projetadas para criar todo tipo de estruturas interessantes em mar aberto e até criar ecossistemas totalmente novos para a fauna marinha.

 Quando as pessoas falam sobre programação em biologia, geralmente significam reescrever o DNA para adicionar um novo recurso. Nesse contexto, quando estamos falando de programação em biologia, queremos dizer realmente escrever um complexo, programas biológicos responsivos com declarações if / else, entradas e saídas que respondem a uma variedade de sinais diferentes etc. Imaginamos algo como um Turing biológico ou bioquímico máquina / computador instanciado no nível de uma célula microbiana. Programação real. Imaginamos algo como uma versão mais orientada para engenharia ou aplicativos da biologia de sistemas, em que algo que se aproxima de um script python de várias linhas pode ser instanciado em um organismo.

Biologia sem minerais

Até agora, ficamos dentro dos limites da biologia conhecida. Tudo até agora tem precedentes. Mas queremos pensar grande. Então, estamos deixando o precedente para trás e caminhando para as tecnologias futuras.

Como mencionamos, as limitações minerais são um grande problema para o uso do fitoplâncton como ferramenta de CDR. Muitos desses minerais são metais. Estes metais são utilizados em várias enzimas chamadas metaloenzimas. Todos os organismos têm metaloenzimas. Isso pode ser um resíduo da evolução inicial da vida e pode não ser necessariamente uma necessidade para a bioquímica. Por exemplo, os organismos Borrelia burgdorferi (doença de lyme) e Lactobacillus plantarum (iogurte) eliminaram todo o ferro de suas metaloenzimas e, em vez disso, usam um metal diferente chamado manganês. Isso sugere que há alguma flexibilidade na maneira como as metaloenzimas fazem seu trabalho. Pode ser possível eliminar metais dessas metaloenzimas todos juntos. Se pudéssemos eliminar os requisitos de metal da biologia,

No entanto, mesmo se removêssemos todos os metais da biologia, outros nutrientes acabariam se tornando limitadores de taxa. Não é possível eliminar o fósforo da vida, porque o fósforo é central para muitas partes da bioquímica: a espinha dorsal química do DNA e do RNA (chamadas ligações fosfodiéster), ATP, a bicamada fosfolipídica e muito mais.

A questão então se torna: podemos criar novas químicas genéticas que não são baseadas no DNA, mas algum novo polímero genético? Novas proteínas? Novo metabolismo? Podemos montar esses componentes em uma forma de biologia que só precisa de CO2, nitrogênio, água e luz solar? A solução desse problema provavelmente não é viável sem grandes avanços na engenharia biomolecular. No entanto, se pudéssemos criar um sistema desse tipo, ele apresentaria uma ferramenta muito eficaz para CDR.

O que a torna uma tecnologia de fronteira?

As estratégias variam desde a necessidade de extensa engenharia proteica, metabólica e genética do fitoplâncton até a construção de uma forma de vida totalmente nova do zero. Embora a engenharia metabólica descrita para o fitoplâncton que converte CO2 em um meio de armazenamento tenha muitos precedentes, novos sistemas de distribuição e cultivo serão necessários. Embora circuitos genéticos e lógica simples tenham sido projetados em uma variedade de células, é necessária muito mais complexidade antes de podermos projetar o tipo de comportamento complexo necessário para megaestruturas auto-montadas. A idéia de uma segunda gênese, a construção de uma forma totalmente nova de biologia e bioquímica do zero, certamente parece ficção científica, mas os laboratórios já estão começando a arranhar a superfície ( seção de referência) e estamos ansiosos pelo que essas pessoas farão. Finalmente, o uso de bactérias geneticamente modificadas para produção biológica diretamente no meio ambiente não é uma disciplina bem estudada.

Desafios – o que é o não iniciador:

Todas essas abordagens apresentam riscos financeiros e técnicos significativos. Mesmo que toda a tecnologia tenha sido desenvolvida, é perfeitamente possível que a solução não funcione conforme o esperado. Mais modelagem é necessária para obter uma resposta de maior resolução sobre isso. Além disso, todas essas abordagens dependem da liberação de fitoplâncton geneticamente modificado no oceano. Algumas pessoas podem não gostar muito dessa idéia.

Para a construção de uma frota gigante de barcos fitoplanctônicos, não há um total de assassinos de transações além da escala e do custo da abordagem. No entanto, existem 12,5 milhões de barcos registrados nos EUA, portanto, uma frota de 1000 barcos pode não ser muito irracional. Além disso, precisaríamos construir enormes biorreatores transparentes, capazes de sobreviver em mar agitado e gerar muitas toneladas de fitoplâncton. Finalmente, embora seja possível projetar uma via biossintética de CDR no fitoplâncton, não está claro como o desempenho seria impactado ao ser lançado no oceano.

Para projetar um comportamento complexo no fitoplâncton, embora não seja fácil, não há obstáculos técnicos impossíveis. No entanto, permanece o fato de que nada disso ainda foi realizado [O caminho para a multicelularidade sintética 2018]. A multicelularidade é complexa, mas ocorreu várias vezes ao longo da história da vida na Terra. Um componente chave da auto-organização são os sistemas de comunicação célula a célula; Embora existam alguns desses sistemas, seriam necessários sistemas de notícias. Além disso, uma matriz extracelular provavelmente seria necessária. Isso permite que as células grudem umas nas outras e pode ser pensado como o andaime de organismos multicelulares.

Reconstruir a biologia desde o início é provavelmente impossível no momento. Pelo que sabemos, vários aspectos da biologia podem ser críticos de uma maneira que não necessariamente entendemos, restringindo as opções de engenharia. Outra coisa a ter em mente é que a vida evoluiu apenas uma vez (até onde sabemos). A fotossíntese oxigênio evoluiu apenas uma vez na história da Terra. Portanto, tentar reconstruir dois dos eventos mais improváveis ​​que já ocorreram na história da vida provavelmente será bastante difícil. Muitas das principais características da biologia foram eventos únicos. Provavelmente não temos a capacidade de precipitar uma segunda gênese hoje, mas se alguém tiver alguns resultados interessantes, entre em contato!

Que pesquisa precisa ser feita e que tipo de pesquisadores seria necessário

Todas essas abordagens exigem a liberação de organismos altamente modificados geneticamente no ambiente, o que traz diversos problemas. A engenharia de sistemas de controle biológico que funcionam em escala oceânica é fundamental para o uso da ampla liberação ambiental da biologia sintética.

A construção de comportamentos complexos em sistemas biológicos requer elementos de controle complexos. Nos computadores, usamos pequenos comutadores chamados transistores. A engenharia de comportamentos complexos no fitoplâncton exigirá muitas opções biológicas que podem ser combinadas para criar comportamentos biológicos artificiais.

Criar novas bioquímicas desde o início requer enormes saltos em nossa capacidade de construir biomoléculas. A engenharia de tais sistemas está claramente além da tecnologia atual, mas talvez novas abordagens computacionais que possam obter e explorar uma intuição geral da interação entre biomoléculas e bioquímica podem nos permitir desenvolver sistemas biológicos inacessíveis pela

 

SOFTWARE MODELLER – MODELAGEM POR HOMOLOGIA

 

Sobre MODELLER


O software é usado para homologia ou modelagem comparativa de estruturas tridimensionais de proteínas (1,2). O usuário fornece um alinhamento de uma seqüência a ser modelada com estruturas relacionadas conhecidas e MODELLER calcula automaticamente um modelo contendo todos os átomos não-hidrogênio. MODELLER implementa modelagem comparativa de estrutura protéica por meio da satisfação de restrições espaciais (3,4) e pode realizar muitas tarefas adicionais, incluindo modelagem de novo de loops em estruturas de proteínas, otimização de vários modelos de estrutura proteica em relação a uma função objetiva definida flexivelmente Alinhamento múltiplo de sequências de proteínas e / ou estruturas, agrupamento, pesquisa de bases de dados de sequências, comparação de estruturas de proteínas, etc. MODELLER está disponível para download na maioria dos sistemas Unix / Linux, Windows e Mac.

Várias interfaces gráficas para MODELLER estão comercialmente disponíveis . Há também muitos outros recursos e pessoas usando o Modeller em interfaces gráficas ou da web ou outras estruturas.

  1. B. Webb, A. Sali. Modelagem Comparativa de Estrutura Protéica Usando o Modeller. Current Protocols in Bioinformatics 54, John Wiley & Sons, Inc., 5.6.1-5.6.37, 2016.
  2. MA Marti-Renom, A. Stuart, A. Fiser, R. Sánchez, F. Melo, A. Sali. Modelagem comparativa da estrutura protéica de genes e genomas. Annu Rev. Biophys. Biomol Struct. 29, 291-325, 2000.
  3. A. Sali e TL Blundell. modelagem de proteína comparativa pela satisfação de restrições espaciais. J. Mol. Biol. 234, 779-815, 1993.
  4. A. Fiser, RK Do e A. Sali. Modelagem de alças em estruturas de proteínas, Protein Science 9. 1753-1773, 2000.

A versão atual do Modeller é 9.21 , lançada em 11 de dezembro de 2018. Atualmente, o Modeller é mantido por Ben Webb .

 

 

 

 

 

Fonte: https://salilab.org/modeller/

CELLO – Automação de design de circuitos genéticos.

Circuito de programação para biologia sintética

À medida que as técnicas de biologia sintética se tornam mais poderosas, os pesquisadores estão antecipando um futuro em que o projeto de circuitos biológicos será semelhante ao projeto de circuitos integrados em eletrônica. Nielsen et al. descreve o que é essencialmente uma linguagem de programação para projetar circuitos computacionais em células vivas. Os circuitos gerados nos plasmídeos expressos em Escherichia coli requeriam isolamento cuidadoso de seu contexto genético, mas funcionavam primariamente conforme especificado. Os circuitos poderiam, por exemplo, regular as funções celulares em resposta a múltiplos sinais ambientais. Tal estratégia pode facilitar o desenvolvimento de circuitos mais complexos por engenharia genética.

 

 

http://www.cellocad.org

Resumo estruturado

INTRODUÇÃO

As células respondem ao ambiente, tomam decisões, constroem estruturas e coordenam tarefas. Subjacentes a esses processos estão operações computacionais realizadas por redes de proteínas reguladoras que integram sinais e controlam o tempo de expressão gênica. Aproveitar essa capacidade é fundamental para projetos de biotecnologia que exigem tomada de decisões, controle, detecção ou organização espacial. Foi demonstrado que as células podem ser programadas usando circuitos genéticos sintéticos compostos de reguladores organizados para gerar uma operação desejada. No entanto, a construção de circuitos simples é demorada e pouco confiável.

JUSTIFICATIVA

A automação de projeto eletrônico (EDA) foi desenvolvida para auxiliar os engenheiros no projeto de eletrônicos baseados em semicondutores. Em um esforço para acelerar o projeto de circuitos genéticos, aplicamos princípios da EDA para permitir o aumento da complexidade do circuito e simplificar a incorporação da regulação gênica sintética em projetos de engenharia genética. Usamos a linguagem de descrição de hardware Verilog para permitir que um usuário descreva uma função de circuito. O usuário também especifica os sensores, os atuadores e o “arquivo de restrições do usuário” (UCF), que define o organismo, a tecnologia do gate e as condições operacionais válidas. Violoncelo ( www.cellocad.org) usa essa informação para projetar automaticamente uma seqüência de DNA que codifica o circuito desejado. Isso é feito por meio de um conjunto de algoritmos que analisam o texto Verilog, criam o diagrama de circuito, atribuem portas, equilibram restrições para construir o DNA e simulam o desempenho.

RESULTADOS

O violoncelo desenha circuitos desenhando uma biblioteca de portas lógicas booleanas. Aqui, a tecnologia de gate consiste de lógica NOT / NOR baseada em repressores. A conexão do gate é simplificada definindo os sinais de entrada e saída como fluxos de RNA polimerase (RNAP). Descobrimos que os portões precisam ser isolados de seu contexto genético para funcionar de forma confiável no contexto de diferentes circuitos. Cada porta é isolada usando terminadores fortes para bloquear o vazamento de RNAP, e a permutabilidade de entrada é melhorada usando ribozimas e espaçadores de promotores. Essas peças são variadas para cada porta para evitar quebras devido à recombinação. Medir a carga de cada porta e incorporar isso nos algoritmos de otimização reduz ainda mais a pressão evolutiva.

O violoncelo foi aplicado ao projeto de 60 circuitos para Escherichia coli , onde a função do circuito foi especificada usando o código Verilog e transformada em uma seqüência de DNA. As sequências de DNA foram construídas conforme especificado sem ajuste adicional, exigindo 880.000 pares de bases de montagem de DNA. Destes, 45 circuitos foram executados corretamente em cada estado de saída (até 10 reguladores e 55 partes). Em todos os circuitos, 92% dos 412 estados de saída funcionaram como previsto.

CONCLUSÃO

Nosso trabalho constitui uma linguagem de descrição de hardware para programação de células vivas. Isso exigiu o codesenvolvimento de algoritmos de design com portas que são suficientemente simples e robustas para serem conectadas por algoritmos automatizados. Demonstramos que os princípios de engenharia podem ser aplicados para identificar e suprimir erros que complicam as composições de sistemas maiores. Essa abordagem leva a uma genética altamente repetitiva e modular, em contraste com a codificação de redes regulatórias naturais. O uso de uma linguagem independente de hardware e a criação de UCFs adicionais permitirão que um único design seja transformado em DNA para diferentes organismos, terminais genéticos, condições de operação e tecnologias de gate.

 

 

Programação genética usando violoncelo.

Um usuário especifica a função de circuito desejada no código Verilog, e isso é transformado em uma sequência de DNA. Um circuito de exemplo é mostrado (0xF6); as curvas vermelha e azul são estados de saída preditos para populações de células, e as distribuições de preto sólido são dados de citometria de fluxo experimental. As saídas são mostradas para todas as combinações de estados do sensor; sinais de mais e menos indicam a presença ou ausência de sinal de entrada. RBS, local de ligao ao ribossoma; RPU, unidade promotora relativa; YFP, proteína fluorescente amarela

.Fig. 1 Visão geral do violoncelo.

A ) Usuários de violoncelo escrevem código Verilog e selecionam ou carregam sensores e um UCF. Com base no design do Verilog, uma tabela de verdade é construída a partir da qual um diagrama de circuito é sintetizado. Reguladores são atribuídos a partir de uma biblioteca para cada porta (cada cor é um repressor diferente). O desenho combinatório é então usado para concatenar partes em uma sequência de DNA linear. O SBOL Visual ( 101 ) é usado para os símbolos das peças. Flechas levantadas são promotores, círculos em hastes são isolantes de ribozimas, hemisférios são ERBs, setas grandes são seqüências codificadoras de proteínas e “T” s são terminadores. As cores das peças correspondem aos portões físicos. ( B) A especificação física para a UCF Eco1C1G1T1. O circuito e os sensores são inseridos em um plasmídeo; o outro plasmídeo contém o promotor de saída do circuito, que pode ser usado para dirigir a expressão de uma proteína fluorescente ou outro atuador. Ambos os plasmídeos devem estar presentes na cepa especificada para que o projeto seja válido.

 

Fig. 2 Atribuição de portões genéticos ao diagrama de circuito.

A ) Um conjunto de quatro portas baseadas em diferentes repressores (cores) conectados em várias permutações para construir diferentes funções de circuito. As entradas (A, B e C) são promotores de entrada do sensor; o promotor de saída do circuito (X) controla o gene de atuação. ( B ) As formas das funções de resposta da porta determinam se elas podem ser conectadas funcionalmente. O portão laranja (PhlF) tem um grande alcance dinâmico (linhas tracejadas) que atravessa o limiar do portão roxo (BetI). No entanto, na ordem inversa, os portões não se conectam funcionalmente. ( C) As relações combinatórias dos repressores da biblioteca de portas isoladas são mostradas nas posições a montante (porta A) e a jusante (porta B). A escala de cores à direita indica a mudança relativa (normalizada), calculada como a faixa máxima de saída que pode ser alcançada conectando a porta A ao gate B. Os números indicam diferentes RBSs. Os gráficos da esquerda e da direita mostram quando a porta A regula a posição 1 e a posição 2, respectivamente. Portões que são excluídos da posição 2 por causa do roadblock são mostrados em preto (fig. S9). ( D ) A probabilidade de encontrar um circuito funcional versus o número de portas lógicas. A probabilidade de um circuito funcional é definida como a probabilidade de uma atribuição aleatória passar na análise do limiar de entrada (fig. S31) e não possuir combinações de roadblocking. ( E) A convergência do algoritmo de atribuição de porta de recozimento simulado (fig. S28). Inserções de gráfico de barras: as barras pretas devem estar LIGADAS; as barras cinzas devem estar DESLIGADAS; o eixo y é a saída no RPU em uma escala de log e o eixo x é o estado de entrada (da esquerda para a direita: 000, 001, 010, 011, 110, 101, 110, 111). A pontuação do circuito ( S ) é definida como a razão entre o estado ON previsto mais baixo e o estado OFF previsto mais alto (fig. S26 e eq. S2). Um exemplo de pesquisa é mostrado para o diagrama de circuito nas inserções; as cores correspondem aos repressores atribuídos a cada porta ( Fig. 3B ).

Entradas correspondem à ausência ou presença de IPTG 1 mM (direita – / +) e aTc (2 ng / ml; esquerda – / +) ( 84 ). (B ) As arquiteturas dos portões isolados. Algumas portas têm várias versões com diferentes seqüências RBS. As seqüências de DNA do gate são fornecidas na tabela S8. ( C ) Um exemplo de uma função de resposta para uma porta NOT baseada no repressor PhlF. A mudança no limite para os três RBSs é mostrada. Os dados para todas as portas isoladas são mostrados na fig. S4 ( D ) O impacto de cada porta no crescimento celular como uma função da sua atividade de promotor de entrada. O crescimento celular foi medido como OD 600 e normalizada pelo crescimento do controlo não indutor de 6 horas após a indução ( 84 ). Os quatro portais que reduziram o crescimento em> 20% estão indicados. Barras de erro são um SD de crescimento celular normalizado [ eixo y em (D)] e a mediana [eixo y em (A) e (C); eixo x em (C) e (D)] para três experiências independentes realizadas no mesmo dia.

 

Continua em: http://science.sciencemag.org/content/352/6281/aac7341

http://www.howto-things.com

“Habitats Compartilhados” – Entre outras coias buscam desenvolver práticas artísticas contemporâneas com ênfase na troca mútua entre atores em um ambiente compartilhado. Esses atores incluem artistas emergentes e estabelecidos, designers, educadores, cientistas e pensadores de várias disciplinas, em ambientes que abrangem universidades, laboratórios, o cubo branco, o cubo verde e espaços cinematográficos, bem como outros locais, trabalhando com organismos vivos, objetos e sites específicos para o trabalho que está sendo desenvolvido.

Seguindo o conceito de vivência de Jakob von Uexküll baseado no indivíduo Umwelt (1926), trabalharemos na idéia de comunicação que se desdobra através da interação entre arte, tecnologias da informação e biotecnologias em um ambiente compartilhado. A interação proposta garantirá nosso foco em processos de baixo para cima que apóiem ​​atividades de auto-organização e permitam que artistas e leigos aprendam uns com os outros.

Este projeto visa fazer coisas com os outros (DIWO) e aprender uns com os outros: queremos saber como nossos colegas entendem a vida e como eles usam a matéria viva em suas práticas. Também queremos criar um conhecimento decente em um ambiente multidisciplinar, incluindo artes, ciências e engenharia. Portanto, agendamos três residências de um mês para nossos participantes: em Roskilde (DK), Stavanger (NO) e na Letônia rural. Entre as residências, teremos uma série de oficinas pop-up, seminários, um festival e uma exposição para a troca de discursos atualizados em artes e política.

O projeto foi iniciado pela Universidade Bauhaus de Weimar, em colaboração com a Institutio Media. É apoiado pelo Ponto de Cultura Nórdico.

Nanotecnologia ganha espaço nas micro e pequenas empresas brasileiras

Roupas que combatem a celulite, cápsulas que hidratam a pele. Essas e outras novidades chegam ao mercado brasileiro entre uma série de produtos criados a partir da nanotecnologia, que é a pesquisa e manipulação de moléculas e átomos para cirar novos materiais. De acordo com o Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas (Sebrae), há cerca de 100 empreendimentos com esse perfil no país. O estado de Santa Catarina lidera com 25 empresas com essa especialização.

O gerente de Acesso à Inovação e Tecnologia do Sebrae, Célio Cabral, explica que mesmo com os altos custos, riscos e retornos de longo prazo que envolvem esse tipo de negócio, o número de empresas com base tecnológica tem crescido exponencialmente. “Porque é um diferencial competitivo, sobretudo, em um momento de crise, em que as condições econômicas são cada vez mais difíceis no acesso ao mercado. O risco é maior, mas a possibilidade de retorno é grande”, comenta.

“Esse empreendedor, via de regra, não tem perfil empresarial, é um cientista. Então é fundamental que ele busque se capacitar em gestão empresarial, entender que empresa é muito diferente de laboratório, entender de gestão financeira, de pessoas, linhas de acesso a mercado, linhas de acesso à financiamento”, disse Cabral ao lembrar que o próprio Sebraeoferece um portfólio de serviços para esse tipo de empreendimento, como assessoria, consultoria, capacitação e recursos de até R$ 125 mil não reembolsáveis para projetos de inovação.

A nanotecnologia foi incluída no Plano Plurianual (PPA) do governo federal de 2000-2003 e ganhou programa específico a partir do PPA seguinte. Até o ano passado, o Brasil respondia por menos de 0,1% da produção mundial do setor.

Formada em Farmácia, a catarinense Betina Giehl Zanetti Ramos dedicou o mestrado e o doutorado ao tema da nanotecnologia. A vida acadêmica seria o caminho mais previsível, mas ela decidiu ousar e transformar teoria em prática. Em 2009, criou a Nanovetores, uma incubadora de insumos nanotecnológicos, em Santa Catarina. “Depois que terminei essa etapa de formação, arrisquei em algo que apostava que teria uma potencialidade de boa aplicação”, conta ela, que chama a nanotecnologia de nova revolução industrial: “porque ela quebra muitos paradigmas em vários setores”.

Precursora no ramo de encapsulação (processo em que um ou mais ingredientes são revestidos por uma cápsula), a empresa trouxe para o mercado de cosméticos algumas novidades, como as cápsulas que, ao serem ingeridas, hidratam a pele. “A encapsulação evita possíveis efeitos adversos, que muitas vezes produtos em formato líquido apresentam, e melhora a estabilidade e a eficácia dos cosméticos”, conta.

Segundo Betina, a experiência em administração e empreendedorismo do marido, Ricardo Henrique Ramos, foi crucial para o sucesso da Nanovetores, que hoje tem 25 funcionários e cinco distribuidores internacionais. No ano passado, o faturamento fechou em cerca de R$ 2,5 milhões, R$ 1 milhão a mais do que em 2013. Mas não foi fácil. Os primeiros dois anos foram dedicados à comprovação clínica de eficácia e segurança dos produtos. “A nanotecnologia é ainda muito recente, exige grande bagagem teórica de conhecimento e há uma lacuna muito grande entre a pesquisa que se faz na universidade e a produção desse material industrialmente”, comentou Betina.

O mercado de cosméticos ficou pequeno para o casal, que decidiu expandir para o setor têxtil. A tecnologia inédita no Brasil ajudou a criar roupas com propriedades antibacterianas, com aroma, que ajudam a relaxar a musculatura e combater a celulite e a flacidez.

Para as empresas interessadas em entrar para este universo, Betina aconselha: “Temos um mercado gigantesco para abranger, mas é importante que todo o novo fornecedor dessa tecnologia tenha consciência de que tipo de produto está levando para o mercado, que requer controle e abordagem criteriosa”.

Empresa voltada para o segmento farmacêutico, em São Paulo, a Nonotimize desenvolve, entre outros produtos, micro e nano encapsulamento de princípios ativos que melhoram o desempenho de remédios. “O principal objetivo é reduzir o número de doses que o paciente vai administrar para facilitar a terapia e a adesão a tratamentos mais complicados”, conta o diretor-executivo da empresa, José Martins.

O pesquisador acredita que o principal desafio para o sucesso desse tipo de empreendimento é conseguir transformar um produto de laboratório em mercadoria de larga escala e avaliar a viabilidade econômica. “Existe um conjunto de produtos que tecnicamente pode ser desenvolvido, mas muitas vezes não compensa que se agregue tecnologia”, destaca. “Via de regra, esse produto é desenvolvido em laboratório e durante o processo de escalonamento encontra barreiras e muitas vezes não consegue chegar de fato ao mercado”.

A falta de regulação sobre o desenvolvimento da nanotecnologia é outro problema, ressalta. “Não existem ainda regras claras que possam dar segurança suficiente para que as empresas realizem os investimentos e consigam incorporá-los na tecnologia. Há um gargalo regulatório a ser vencido”.

Em 2014, o Brasil integrou o programa NanoReg, um projeto de pesquisa com foco na regulamentação em nanotecnologia, proposto por um consórcio de mais de 50 instituições do mundo todo, entre empresas, universidades, institutos de pesquisa, institutos de metrologia e órgãos de governo, com financiamento da União Europeia. Dentre os objetivos do projeto está o de disponibilizar aos legisladores um conjunto de ferramentas para avaliação de risco e instrumentos de tomada de decisão, a curto e médio prazo. Outra meta é desenvolver e estabelecer uma estreita colaboração entre governos e indústria para a gestão adequada dos riscos e criar a base para abordagens comuns, conjuntos de dados mutuamente aceitáveis e práticas de gestão de risco.

Em 2012, O Ministério de Ciência Tecnologia e Inovação criou o Sistema Nacional de Laboratórios em Nanotecnologias (SisNANO), uma rede de laboratórios com o objetivo de fornecer infra-estrutura e suporte acessíveis a pesquisadores, empresas e órgãos públicos de todo o país para o desenvolvimento e inovação em nanociências e nanotecnologias.

Fonte: http://info.abril.com.br/noticias/ciencia/2015/06/nanotecnologia-ganha-espaco-nas-micro-e-pequenas-empresas-brasileiras.shtml   Editor Denise Griesinger

Encontro de Bionegócios Amazonas – França

 

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No dia 12 de setembro de 2013, Manaus sedia o Encontro de Bionegócios Amazonas – França. O evento objetiva estimular a interação entre empresas e instituições de pesquisa e inovação do Amazonas e da França, na área de biotecnologia aplicada à produção de fármacos, cosméticos e alimentos, visando contribuir para o crescimento do setor no Estado.