Pesquisadores dos Estados Unidos e da Dinamarca desenvolveram uma nova maneira de produzir grandes quantidades da xantomatina, pigmento natural que permite aos polvos, lulas e outros animais da família dos cefalópodes se camuflarem com maestria.
“Desenvolvemos uma nova técnica que acelerou nossa capacidade 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 conjuntas no Scripps Oceanography e na Escola de Farmácia e Ciências Farmacêuticas Skaggs da Universidade da Califórnia em San Diego, em comunicado.
Para a equipe envolvida, a descoberta publicada na revista Nature Biotechnology é significativa não apenas para a compreensão desse pigmento único — que lança luz sobre a biologia e a química do reino animal —, mas também porque a técnica utilizada pode ser aplicada a muitos outros produtos químicos, ajudando potencialmente as indústrias a se afastarem de materiais derivados de combustíveis fósseis e a adotarem alternativas naturais.
Até hoje, a xantomatina, ainda é pouco compreendida porque a sua extração de animais não é escalável nem eficiente, e os métodos tradicionais de laboratório são trabalhosos e dependem de síntese química de baixo rendimento.
Os pesquisadores, então, foram atrás de uma solução, e criaram uma espécie de ciclo de retroalimentação de crescimento que eles chamam de “biossíntese acoplada ao crescimento”.
“Precisávamos de uma abordagem completamente nova para resolver esse problema [de fornecimento]”, salientou Leah Bushin, autora principal do estudo, atualmente professora na Universidade Stanford e anteriormente pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório Moore, no Instituto Scripps de Oceanografia. “Basicamente, descobrimos uma maneira de enganar as bactérias para que produzissem mais do material de que precisávamos.”
O que foi feito foi vincular a sobrevivência da célula à produção do composto alvo. Dessa forma, a equipe conseguiu enganar o micróbio para que produzisse a xantomatina. Tudo começou com uma célula “doente” geneticamente modificada, que só sobreviveria 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. Este, por sua vez, fornece energia para o crescimento da célula, criando um ciclo autossustentável que impulsiona a produção de pigmento.
“Nós fizemos com que a atividade por meio dessa via, de produção do composto de interesse, fosse absolutamente essencial para a vida. Se o organismo não produzir xantomatina, ele não crescerá”, explicou Bushin.
Para aprimorar ainda mais a capacidade das células de produzir o pigmento, os pesquisadores utilizaram robôs para evoluir e otimizar os microrganismos geneticamente modificados por meio de duas campanhas de evolução adaptativa em laboratório de alto rendimento.
Além disso, foram aplicadas ferramentas de bioinformática personalizadas do Laboratório de 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 Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk. O objetivo foi identificar mutações genéticas essenciais que aumentaram a eficiência e permitiram que as bactérias produzissem o pigmento diretamente a partir de uma única fonte de nutrientes.
“Este projeto oferece um vislumbre de um futuro onde a biologia possibilita a produção sustentável de compostos e materiais valiosos por meio de automação avançada, integração de dados e design orientado por computador”, salientou Feist. “Aqui, mostramos como podemos acelerar a inovação na biofabricação reunindo engenheiros, biólogos e químicos, utilizando algumas das técnicas de engenharia de linhagens mais avançadas para desenvolver e otimizar um produto inovador em um tempo relativamente curto.”
Segundo Bushin, os métodos tradicionais rendem cerca de cinco miligramas de pigmento por litro “se você tiver sorte”. Já esse novo rende entre um e três gramas por litro.
Seu colega Moore prevê que isso transformará a maneira como os produtos bioquímicos são produzidos. E já há interesse, segundo os pesquisadores, por parte do Departamento de Defesa dos EUA e de empresas de cosméticos.
