Os cientistas da UC San Diego estão mais perto de compreender uma das habilidades mais fascinantes da natureza: a arte da camuflagem.
Polvos, lulas, chocos e seus parentes cefalópodes são mestres da camuflagem, capazes de mudar instantaneamente a cor da pele para se misturar ao ambiente. Esta transformação extraordinária é impulsionada por um pigmento natural chamado xantofilina, que desempenha um papel fundamental na descoloração da pele.
Durante anos, pesquisadores e até organizações de defesa ficaram fascinados pelas propriedades de resposta à luz dos xantozoários. Até agora, porém, tem sido extremamente desafiador replicar e estudar esse pigmento em laboratório.
Num novo avanço no Scripps Institution of Oceanography da Universidade da Califórnia, em San Diego, os cientistas criaram com sucesso uma forma de produzir grandes quantidades de xantofilina. Isto marca um grande passo em frente na descodificação de como os animais conseguem a sua notável camuflagem.
Bactérias se transformam em fábricas de pigmentos naturais
Usando uma abordagem de inspiração biológica, a equipe de pesquisa conseguiu produzir pigmentos dentro de bactérias com um rendimento 1.000 vezes maior que os métodos anteriores. Esta inovação poderá abrir caminho a novas utilizações sustentáveis de materiais e cosméticos, incluindo aplicações em optoelectrónica, revestimentos térmicos, corantes e produtos de protecção UV.
“Desenvolvemos pela primeira vez uma nova técnica que acelera a nossa capacidade de produzir materiais, neste caso a xantoxina, em bactérias”, disse o autor principal do estudo, Bradley Moore, químico marinho da Scripps Oceanography e da Escola de Farmácia e Ciências Farmacêuticas da UC San Diego Skaggs. “Este pigmento natural dá aos polvos ou lulas a capacidade de camuflagem – um superpoder mágico – e o que conseguimos ao avançar na produção deste material é apenas a ponta do iceberg.”
Publicado hoje (3 de novembro) em Biotecnologia da NaturezaA pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde, pelo Escritório de Pesquisa Naval, pela Fundação Nacional Suíça para a Ciência e pela Fundação Novo Nordisk.
Os investigadores dizem que os resultados não só aprofundam a nossa compreensão da base biológica e química da coloração animal, mas também destacam uma nova e poderosa biotecnologia. A mesma tecnologia pode ser utilizada para criar outros compostos valiosos, ajudando a indústria a afastar-se dos produtos petrolíferos e a aproximar-se de materiais mais sustentáveis e inspirados na natureza.
um pigmento promissor
Além dos cefalópodes, a xantoxina é encontrada em insetos do grupo dos artrópodes, dando as cores laranja e amarelo brilhantes às asas da borboleta monarca e o vermelho brilhante aos corpos das libélulas e aos olhos das moscas.
Apesar de suas excelentes propriedades de cor, a xantofilina é pouco compreendida devido aos contínuos desafios de fornecimento. A obtenção de pigmentos de animais não é escalonável ou eficiente, e os métodos laboratoriais tradicionais exigem muita mão-de-obra e dependem de síntese química de baixo rendimento.
Pesquisadores do Laboratório Moore da Scripps Oceanography procuraram mudar isso, trabalhando com colegas da Universidade da Califórnia, San Diego e do Centro de Biosustentabilidade da Fundação Novo Nordisk na Dinamarca para desenvolver uma solução, um ciclo de feedback de crescimento que eles chamam de “biossíntese acoplada ao crescimento”.
A forma como eles desenvolveram a octozoína, um produto químico, por bioengenharia em bactérias representa um novo afastamento das abordagens biotecnológicas típicas. A abordagem deles vinculou intimamente a produção de pigmentos à sobrevivência das bactérias que os produzem.
“Precisávamos de uma abordagem completamente nova para este problema”, disse a principal autora do estudo, Leah Bushin, agora membro do corpo docente da Universidade de Stanford e anteriormente pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório Moore da Scripps Oceanography, onde seu trabalho foi conduzido. “Essencialmente, descobrimos uma maneira de enganar as bactérias para que produzam mais materiais de que precisamos.”
Normalmente, quando os investigadores tentam fazer com que os micróbios produzam compostos estranhos, isso impõe uma carga metabólica significativa. Sem manipulação genética significativa, os microrganismos resistem a desviar os seus recursos vitais para a produção do desconhecido.
Ao vincular a sobrevivência da célula à produção do composto alvo, a equipe conseguiu enganar os microrganismos para que produzissem xantoxina. Para fazer isso, eles começaram com células “doentes” geneticamente modificadas que poderiam sobreviver apenas produzindo os pigmentos necessários, bem como uma segunda substância química chamada ácido fórmico. Para cada molécula de pigmento produzida, a célula produz uma molécula de ácido fórmico. Por sua vez, o ácido fórmico alimenta o crescimento celular, criando um ciclo autossustentável que impulsiona a produção de pigmentos.
“Tornamos a atividade de produção de compostos de interesse através desta via absolutamente necessária para a vida”, disse Bushin. “Se um organismo não produz flavina, não crescerá”.
Para forçar as bactérias a produzirem mais pigmentos, os pesquisadores recorreram à robótica e à automação. Eles usaram um sistema robótico para guiar os microrganismos através de duas rodadas de evolução laboratorial adaptativa de alto rendimento, um processo projetado para ajudar as células a melhorar gradualmente seu desempenho. Esta abordagem avançada foi desenvolvida no laboratório do coautor do estudo Adam Feist, professor do Departamento de Bioengenharia Shu Chien-Gene Lay da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego e cientista sênior do Centro de Biosustentabilidade da Fundação Novo Nordisk.
Os pesquisadores também usaram o software especializado de bioinformática do laboratório Feist para identificar alterações genéticas que aumentam a produtividade microbiana. Essas mutações-chave permitem que as bactérias modificadas produzam pigmentos com eficiência usando apenas uma única fonte de nutrientes.
“Este projeto oferece um vislumbre do futuro da biologia para a produção sustentável de compostos e materiais valiosos através de automação avançada, integração de dados e design baseado em computação”, disse Feist. “Aqui, mostramos como a inovação na biofabricação pode ser acelerada reunindo engenheiros, biólogos e químicos para desenvolver e otimizar novos produtos em um período de tempo relativamente curto, usando algumas das mais avançadas técnicas de engenharia de deformação.”
Bushin disse que o método tradicional rende cerca de 5 miligramas de pigmento por litro “se você tiver sorte”, enquanto o novo método rende de 1 a 3 gramas por litro.
São necessários vários anos de trabalho dedicado para passar dos estágios de planejamento aos experimentos reais em laboratório, mas uma vez que o plano é colocado em ação, os resultados são quase imediatos.
“Foi um dos melhores momentos que tive no laboratório”, lembrou Bush sobre o primeiro experimento bem-sucedido. “Configurei o experimento e deixei durante a noite. Voltei na manhã seguinte e funcionou e Produz muito pigmento e estou animado. Momentos como este são o motivo pelo qual entro na ciência. “
Próxima etapa
Moore prevê que esta nova abordagem biotecnológica, inteiramente inspirada na natureza e não invasiva, mudará a forma como os produtos bioquímicos são produzidos.
“Nós realmente revolucionamos a forma como as pessoas pensam sobre como projetar células”, disse ele. “Nossa abordagem tecnológica inovadora desencadeou um salto quântico nas capacidades de produção. Esta nova abordagem resolve os desafios de fornecimento e pode agora tornar este biomaterial mais amplamente disponível.”
Embora algumas aplicações para este material ainda estejam distantes, os autores observam que o Departamento de Defesa dos EUA e as empresas de cosméticos demonstraram interesse ativo. Os pesquisadores dizem que os colaboradores estão interessados em explorar as habilidades naturais de camuflagem do material, enquanto as empresas de cuidados com a pele estão interessadas em usá-lo em protetores solares naturais. Outras indústrias veem usos potenciais que vão desde tintas domésticas que mudam de cor até sensores ambientais.
“Olhando para o futuro, a humanidade terá de repensar a forma como fabricamos materiais para apoiar os estilos de vida sintéticos dos 8 mil milhões de pessoas na Terra”, disse Moore. “Graças ao financiamento federal, estamos abrindo um novo caminho promissor para a concepção de materiais inspirados na natureza que sejam melhores para as pessoas e para o planeta.”
Outros autores do estudo incluem Tobias Alter, María Alván-Vargas, Daniel Volke, Òscar Puiggené e Pablo Nikel, do Centro de Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk; Elina Olson, do Departamento de Bioengenharia Shu Chien-Gene Lay, UC San Diego; Lara Dürr e Mariah Avila, do Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego; e Taehwan Kim e Leila Deravi, da Northeastern University.
