Cientistas ensinam às bactérias o segredo do polvo para se camuflar

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 xantomatina, que desempenha um papel fundamental na mudança de cor da pele.

Durante anos, pesquisadores e até mesmo organizações de defesa foram cativados pelas qualidades 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 criaram 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 notável camuflagem.

Bactérias transformadas em fábricas de pigmentos naturais

Usando uma abordagem de inspiração biológica, a equipe de pesquisa conseguiu gerar o pigmento dentro das bactérias, atingindo níveis de produção até 1.000 vezes maiores que os métodos anteriores. Esta inovação poderá abrir caminho para novas utilizações sustentáveis ​​em materiais e cosméticos, incluindo aplicações em fotoeletrónica, revestimentos térmicos, corantes e produtos de proteção UV.

“Desenvolvemos uma nova técnica que acelerou nossas capacidades de produzir um material, neste caso a xantomatina, em uma bactéria pela primeira vez”, disse Bradley Moore, autor sênior 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 a um polvo ou a uma lula a sua capacidade de camuflagem – um superpoder fantástico – e a nossa conquista para avançar na produção deste material é apenas a ponta do iceberg.”

Publicado hoje (3 de novembro) em Biotecnologia da Naturezao estudo 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 dos fundamentos biológicos e químicos da coloração animal, mas também destaca uma nova e poderosa biotecnologia. A mesma técnica poderia ser usada para criar outros compostos valiosos, ajudando as indústrias na transição de produtos à base de petróleo para materiais mais sustentáveis ​​e inspirados na natureza.

Um pigmento promissor

Além dos cefalópodes, a xantomatina também é encontrada em insetos do grupo dos artrópodes, contribuindo para os tons laranja e amarelo brilhantes das asas da borboleta monarca e os vermelhos brilhantes vistos nos corpos das libélulas e nos olhos das moscas.

Apesar das fantásticas propriedades de cor da xantomatina, ela é pouco compreendida devido a um persistente desafio de fornecimento. A colheita do pigmento 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 UC San Diego e do Centro de Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk na 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 desenvolveram por bioengenharia o pigmento do polvo, um produto químico, em uma bactéria representa um novo afastamento das abordagens biotecnológicas típicas. A abordagem deles conectou intimamente a produção do pigmento com a 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-investigadora de pós-doutoramento no Laboratório Moore da Scripps Oceanography, onde o seu trabalho foi realizado. “Essencialmente, descobrimos uma maneira de enganar as bactérias para que produzissem mais do material de que precisávamos.”

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 resiste a desviar os seus recursos essenciais para produzir algo desconhecido.

Ao vincular a sobrevivência da célula à produção do composto alvo, a equipe conseguiu enganar o micróbio para que criasse 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 gerada, a célula também produzia uma molécula de ácido fórmico. O ácido fórmico, por sua vez, fornece combustível para o crescimento da célula, criando um ciclo autossustentável que impulsiona a produção de pigmentos.

“Fizemos isso de tal forma que a atividade por meio dessa via, de produção do composto de interesse, é absolutamente essencial para a vida. Se o organismo não produzir xantomatina, ele não crescerá”, disse Bushin.

Para forçar as bactérias a produzir ainda mais pigmento, os pesquisadores recorreram à robótica e à automação. Eles usaram sistemas robóticos 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 Feist, professor do Departamento de Bioengenharia Shu Chien-Gene Lay da Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs e cientista sênior do Centro de Biosustentabilidade da Fundação Novo Nordisk.

Os pesquisadores também usaram software especializado de bioinformática do Laboratório Feist para identificar alterações genéticas que aumentaram a produtividade dos micróbios. Essas mutações-chave permitiram que as bactérias modificadas produzissem o pigmento de forma eficiente, usando apenas uma única fonte de nutrientes.

“Este projeto dá uma ideia 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 como podemos acelerar a inovação na biofabricação, reunindo engenheiros, biólogos e químicos usando algumas das mais avançadas técnicas de engenharia de deformação para desenvolver e otimizar um novo produto em um tempo relativamente curto.”

As abordagens tradicionais rendem cerca de cinco miligramas de pigmento por litro “se você tiver sorte”, disse Bushin, enquanto o novo método rende entre um a três gramas por litro.

Passar dos estágios de planejamento até a experimentação real no laboratório levou vários anos de trabalho dedicado, mas assim que o plano foi colocado em prática, os resultados foram quase imediatos.

“Foi um dos meus melhores dias no laboratório”, lembrou Bushin sobre o primeiro experimento bem-sucedido. “Eu montei o experimento e deixei durante a noite. Quando cheguei na manhã seguinte e percebi que funcionou e estava produzindo muito pigmento, fiquei emocionado. Momentos como esse são o motivo pelo qual faço ciência.”

Próximas etapas

Moore prevê que esta nova metodologia biotecnológica, totalmente inspirada na natureza e não invasiva, transformará 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 provocou um enorme salto na capacidade de produção. Este novo método resolve um desafio de fornecimento e pode agora tornar este biomaterial muito mais amplamente disponível.”

Embora algumas aplicações para este material estejam distantes, 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 material, enquanto as empresas de cuidados com a pele estão interessadas em utilizá-lo em protetores solares naturais. Outras indústrias veem utilizações potenciais que vão desde tintas domésticas que mudam de cor até sensores ambientais.

“Ao olharmos para o futuro, os humanos vão querer repensar a forma como fabricamos materiais para apoiar o estilo de vida sintético de 8 mil milhões de pessoas na Terra”, 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, 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 da UC San Diego; Lara Dürr e Mariah Avila do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego; e Taehwan Kim e Leila Deravi da Northeastern University.