Cientistas da Universidade da Califórnia, em San Diego, chegaram mais perto de compreender um dos poderes mais fascinantes da natureza: a arte da camuflagem.
Polvos, lulas, chocos e seus parentes cefalópodes são mestres da camuflagem, capazes de misturar instantaneamente a cor da sua pele com o ambiente. Esta notável transformação é impulsionada por um pigmento natural chamado xantomatina, que desempenha um papel fundamental na descoloração da pele.
Ao longo dos anos, pesquisadores e até agências de defesa ficaram fascinados pelas propriedades de resposta à luz da xantomatina. No entanto, replicar e estudar este pigmento em laboratório tem sido extremamente desafiador – até agora.
Em uma nova descoberta do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego, os cientistas desenvolveram com sucesso um método para produzir grandes quantidades de xantomatina. Isto marca um grande passo em frente na descodificação de como os animais conseguem a sua extraordinária camuflagem.
As bactérias se tornaram fábricas naturais de pigmentos
Usando um método de inspiração biológica, a equipe de pesquisa conseguiu produzir o pigmento dentro da bactéria, atingindo níveis de produção 1.000 vezes maiores que os métodos anteriores. Esta inovação poderá abrir caminho a novas utilizações sustentáveis em materiais e cosméticos, incluindo aplicações em fotoeletrónica, revestimentos térmicos, corantes e produtos de proteção UV.
“Desenvolvemos uma nova técnica que aumentou a nossa capacidade de produzir uma substância, neste caso a xantomatina, numa bactéria pela primeira vez”, disse Bradley Moore, autor sénior do estudo e químico marinho com nomeações na Scripps Oceanography e na Escola de Farmácia e Ciências Farmacêuticas da UC San Diego Skaggs. “Este pigmento natural é o que dá ao polvo ou à lula a sua capacidade de camuflagem – um superpoder fantástico – e a nossa conquista no avanço da produção deste material é apenas a ponta do iceberg.”
Publicado hoje (3 de novembro). Biotecnologia da NaturezaA pesquisa recebeu apoio dos Institutos Nacionais de Saúde, do Escritório de Pesquisa Naval, da Fundação Nacional Suíça de Ciência e da Fundação Novo Nordisk.
Segundo os investigadores, esta conquista não só aprofunda a nossa compreensão da base biológica e química da coloração animal, mas também destaca uma nova e poderosa biotecnologia. A mesma técnica pode ser usada para criar outros compostos valiosos, ajudando as indústrias a abandonar os produtos à base de petróleo e a adotar materiais mais sustentáveis e inspirados na natureza.
Um pigmento promissor
Fora dos cefalópodes, as xantomatinas também são encontradas em insetos do grupo dos artrópodes, contribuindo para as cores laranja e amarelo brilhantes das asas da borboleta monarca e para os vermelhos brilhantes vistos nos corpos das libélulas e nos olhos das moscas.
Apesar das fantásticas propriedades de cor da xantomatina, ela permanece pouco compreendida devido a um persistente desafio de fornecimento. A coleta 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 queriam mudar isso, trabalhando com colegas da UC San Diego e do Centro de Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk da Dinamarca para projetar uma solução, uma espécie de ciclo de feedback de crescimento que eles chamam de “biossíntese acoplada ao crescimento”.
A forma como eles transformaram o pigmento de polvo, um produto químico, em uma bactéria por bioengenharia representa um novo afastamento dos métodos biotecnológicos típicos. A abordagem deles vinculou intimamente a produção de pigmentos à sobrevivência da bactéria que o produziu.
“Precisávamos de uma abordagem totalmente nova para resolver este problema”, disse Leah Bushin, principal autora do estudo, agora membro do corpo docente da Universidade de Stanford e ex-pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório Moore da Scripps Oceanography, onde seu trabalho foi conduzido. “Basicamente, descobrimos uma maneira de as bactérias produzirem os ingredientes de que precisamos.”
Normalmente, quando os investigadores tentam fazer com que um micróbio produza um composto estranho, isso cria uma grande carga metabólica. Sem manipulação genética significativa, o micróbio é impedido de desviar os recursos de que necessita para criar algo desconhecido.
Ao vincular a sobrevivência celular à produção de seus compostos alvo, a equipe conseguiu manipular as bactérias para produzir xantomatina. Para fazer isso, eles começaram com uma célula “doente” geneticamente modificada, que só poderia sobreviver se produzisse o pigmento desejado, juntamente com uma segunda substância química chamada ácido fórmico. Para cada molécula de pigmento produzida, a célula também produz uma molécula de ácido fórmico. O ácido fórmico, por sua vez, fornece combustível para o crescimento celular, criando um ciclo autossustentável que impulsiona a produção de pigmentos.
“Fizemos com que a atividade através desta via, produzindo o composto de interesse, seja absolutamente essencial para a vida. Se o organismo não produzir xantomatina, ele não crescerá”, disse Bushin.
Para forçar as bactérias a produzirem mais pigmentos, os pesquisadores recorreram à robótica e à automação. Eles usaram o sistema robótico para guiar os micróbios através de duas rodadas de evolução laboratorial adaptativa de alto rendimento, um processo projetado para ajudar as células a melhorar gradualmente seu desempenho. Este método avançado foi desenvolvido pelo co-autor do laboratório Adam Fist, professor Shu Chien-Jin Ley do Departamento de Bioengenharia da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego e cientista sênior do Centro de Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk.
Os pesquisadores usaram software especializado de bioinformática do laboratório Fist para identificar alterações genéticas que aumentaram a produtividade da bactéria. Essas mutações-chave permitem que as bactérias modificadas produzam pigmentos de forma eficiente usando apenas uma fonte de nutrientes.
“Este projeto oferece um vislumbre de um futuro onde a biologia permite a produção sustentável de compostos e materiais valiosos através de automação avançada, integração de dados e design baseado em computação”, disse Feist. “Aqui, mostramos que podemos acelerar a inovação na biofabricação, reunindo engenheiros, biólogos e químicos usando algumas técnicas avançadas de engenharia de deformação para desenvolver e otimizar um novo produto em um período de tempo relativamente curto.”
O método tradicional rende cerca de cinco miligramas de pigmento por litro “se você tiver sorte”, disse Bushin, enquanto o novo método rende entre um e três gramas por litro.
Foram necessários vários anos de trabalho dedicado, desde a fase de planejamento até os experimentos reais em laboratório, mas assim que o plano foi colocado em prática, os resultados foram quase imediatos.
“Foi um dos meus melhores dias no laboratório”, lembra Bushin sobre o primeiro experimento bem-sucedido. “Eu preparava o teste e deixava durante a noite. Na manhã seguinte, quando cheguei, percebi que tinha funcionado. E Estava produzindo muito pigmento, fiquei emocionado. Momentos como este são o motivo pelo qual faço ciência.”
Próxima etapa
Moore levanta a hipótese de que este novo método biotecnológico, inteiramente inspirado na natureza e não invasivo, mudará a forma como os produtos bioquímicos são produzidos.
“Nós realmente perturbamos a maneira como as pessoas pensam sobre como projetar uma célula”, disse ele. “Nossa abordagem tecnológica inovadora proporcionou um enorme salto na capacidade de produção. Esta nova abordagem resolve um desafio de fornecimento e pode agora tornar este biomaterial mais amplamente disponível”.
Embora algumas aplicações para este material estejam longe de terminar, os autores notaram um interesse ativo do Departamento de Defesa dos EUA e de empresas de cosméticos. Segundo os pesquisadores, os colaboradores estão interessados em explorar as capacidades naturais de camuflagem do ingrediente, enquanto as empresas de cuidados com a pele estão interessadas em utilizá-lo em protetores solares naturais. Outras indústrias veem usos potenciais, desde tintas domésticas que mudam de cor até sensores ambientais.
“Ao olharmos para o futuro, os humanos vão querer repensar a forma como construímos materiais para apoiar estilos de vida sintéticos para os 8 mil milhões de pessoas no nosso planeta”, disse Moore. “Graças ao financiamento federal, abrimos um novo caminho promissor para a concepção de materiais inspirados na natureza que são melhores para as pessoas e para o planeta.”
Os autores adicionais do estudo são Tobias Alter, Maria Alvan-Vargas, Daniel Volk, Oscar Puigen e Pablo Nickel do Centro de Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk; Elina Olson, do Departamento de Bioengenharia Shu Chien-Jin Le da UC San Diego; Lara Durr e Maria Avila do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego; e Taehwan Kim e Leila Deravi da Northeastern University.
