BIOTECNOLOGIA 2011bteduc.com/livros/Biotecnologia_2012.pdf · biotecnologia 2011 sumÁrio i introduÇÃo capÍtulo pÁgina 1. o que É biotecnologia? a biotecnologia tradicional a

i

BIOTECNOLOGIA 2011

MARIA ANTONIA MALAJOVICH

BIOTECNOLOGIA 2011

MARIA ANTONIA MALAJOVICH

www.bteduc.bio.br

Copyright © 2004 by Maria Antonia Malajovich ISBN: 85-7323-223-4 Copyright © 2011 by Maria Antonia Malajovich Os conceitos emitidos nesta obra são de inteira responsabilidade da autora

MALAJOVICH M. A. Biotecnologia 2011. Rio de Janeiro, Edições da Biblioteca Max Feffer do Instituto de Tecnologia ORT, 2012.

Edições BIBLIOTECA MAX FEFFER

do INSTITUTO DE TECNOLOGIA ORT do Rio de Janeiro

Rua Dona Mariana 213 – Rio de Janeiro, 22280-020 – RJ - Brasil

Tel.: (5521)2539-1842; FAX: (5521)2286-9174

http://www.ort.org.br

BIOTECNOLOGIA: ENSINO E DIVULGAÇÃO

http://www.bteduc.bio.br

AO LEITOR

Biotecnologia 2011 é a última atualização do livro publicado em 2004 por Axcell Books do Brasil, em 2006 pela Universidad de Quilmes Editorial (em

espanhol) e divulgado na Internet, a partir de 2009, no site Biotecnologia:

ensino e divulgação (www.bteduc.bio.br). Agradeço a Elizabeth Lissovsky

pela revisão do português.

Inicia-se o texto com uma apresentação sobre o que é Biotecnologia

(Capítulo 1). A seguir, apresentam-se os fundamentos da Biotecnologia,

isto é os agentes biológicos (Capítulos 2 a 5) e as ferramentas básicas (Capítulos 6 a 9). A última parte, O impacto na sociedade analisa o

impacto das novas tecnologias biológicas em setores tão diversos como

indústria, energia, meio ambiente, biodiversidade, agricultura, pecuária,

alimentos e saúde. Além de um sumário detalhado, uma lista das 92 figuras e das 30 tabelas, o livro conta com uma lista da bibliografia

consultada e um índice remissivo.

Nascida em universidades e centros de pesquisa, onde perdura até hoje, a

biotecnologia objetiva principalmente o desenvolvimento local ou regional, o progresso da agricultura e a melhora dos tratamentos de saúde.

Empresas públicas e privadas de diferentes portes utilizam as tecnologias

com base biológica para obter produtos diversos e, também, para

assegurar serviços.

O perfil da biotecnologia varia de um país para outro, em função dos

recursos naturais, econômicos e políticos, das características das

empresas envolvidas e do papel assumido pelos setores público e privado. A inclusão de exemplos do Brasil e de outros países latino-americanos

tenta mostrar um pouco dessa diversidade.

A expansão da biotecnologia introduz mudanças na sociedade. Por ser

uma área ainda pouco conhecida, a percepção pública costuma oscilar entre a aceitação e a hostilidade, em função das pressões de lobbies e

grupos de opinião. Alguns temas são polêmicos, seja porque despertam

apreensões em relação à segurança dos procedimentos, seja porque nos

exigem uma reflexão ética cuidadosa.

Não espere o leitor encontrar respostas dogmáticas: as tecnologias não

são nem boas nem ruins, são o que fazemos com elas.

Maria Antonia Malajovich

Janeiro de 2012

BIOTECNOLOGIA 2011

SUMÁRIO

i

INTRODUÇÃO

CAPÍTULO PÁGINA

1. O QUE É BIOTECNOLOGIA?

A BIOTECNOLOGIA TRADICIONAL A BIOTECNOLOGIA MODERNA AS DEFINIÇÕES DE BIOTECNOLOGIA O IMPACTO DA BIOTECNOLOGIA BIOTECNOLOGIA E DESENVOLVIMENTO A HISTÓRIA DA BIOTECNOLOGIA

1

OS AGENTES BIOLÓGICOS

CAPÍTULO PÁGINA

2. AS CÉLULAS E OS CROMOSSOMOS

A CÉLULA COMO UNIDADE DOS SERES VIVOS Unidade estrutural Unidade funcional

TÉCNICAS LABORATORIAIS TODA CÉLULA DERIVA DE OUTRA PREEXISTENTE OS CROMOSSOMOS A TEORIA CROMOSSÔMICA DA HEREDITARIEDADE CÉLULAS E CROMOSSOMOS COMO AGENTES BIOLÓGICOS

9

3. OS MICRORGANISMOS

A DIVERSIDADE MICROBIANA As eubactérias As arqueas Os protistas Os fungos Os vírus, na fronteira do vivo e do não vivo

AS TÉCNICAS MICROBIOLÓGICAS BIOSSEGURANÇA E BIOSSEGURIDADE OS MICRORGANISMOS COMO AGENTES BIOLÓGICOS

21

4. AS ENZIMAS E OS ANTICORPOS

AS PROTEÍNAS Estrutura As bases de algumas técnicas laboratoriais

AS ENZIMAS A catálise enzimática Os diversos tipos de enzimas Importância econômica

OS ANTICORPOS A molécula de anticorpo A união antígeno-anticorpo A produção de anticorpos no organismo A produção de anticorpos no laboratório A utilização dos anticorpos

33

Gametas

Heterozigoto

Proporção fenotípica

Gametas

Heterozigoto

Homozigoto e e ey+ ey+


ii

CAPÍTULO PÁGINA

5. OS ÁCIDOS NUCLEICOS E OS GENES

OS ÁCIDOS NUCLEICOS A dupla hélice O código genético

A EXPRESSÃO GÊNICA O fluxo da informação genética Células procarióticas Células eucarióticas

O COMPLEXO MUNDO DOS RNAs A GENÔMICA

O GENOMA HUMANO A GENÔMICA EM AMÉRICA LATINA

47

6. OS BIOPROCESSOS

BIOPROCESSOS, PROCESSOS FERMENTATIVOS E INDÚSTRIA

OS MICRORGANISMOS INDUSTRIAIS Noções sobre o metabolismo primário e secundário

Meios de cultura e matéria-prima

A escolha das linhagens OS DIFERENTES TIPOS DE BIOPROCESSOS

Os processos tradicionais

Os processos submersos

Outros sistemas submersos

DO LABORATÓRIO À INDÚSTRIA A mudança de escala

A condução do processo

A recuperação do produto

OS BIOPROCESSOS NA INDÚSTRIA DE FERTILIZANTES

59

AS FERRAMENTAS BÁSICAS

CAPÍTULO PÁGINA

7. A CULTURA DE CÉLULAS E TECIDOS

O CULTIVO DE CÉLULAS E TECIDOS VEGETAIS As primeiras tentativas Os meios de cultura As etapas do processo As diferentes modalidades Melhoramento e conservação da biodiversidade vegetal A difusão da tecnologia

A CULTURA DE CÉLULAS ANIMAIS A manipulação in vitro das células animais As aplicações da cultura in vitro de células de mamíferos

69

8. A TECNOLOGIA DO DNA

AS FERRAMENTAS DISPONÍVEIS As nucleases ou enzimas de restrição A eletroforese do DNA Hibridização e sondas gênicas A técnica de Southern O fingerprint A síntese e amplificação de DNA O sequenciamento do DNA Os arrays A BIOLOGIA SINTÉTICA

81

BIOTECNOLOGIA 2011 / Sumário

iii

CAPÍTULO PÁGINA

9. A ENGENHARIA GENÉTICA

O NASCIMENTO DA BIOTECNOLOGIA MODERNA As primeiras experiências Mitos e realidade

AS BIBLIOTECAS DE GENES A CONSTRUÇÃO DE UM MICRORGANISMO RECOMBINANTE

Encontrar o gene Inserir o gene Identificar os microrganismos recombinantes

A CONSTRUÇÃO DE PLANTAS TRANSGÊNICAS O transgene A transferência dos genes a células vegetais O problema dos marcadores seletivos Do laboratório ao campo

CÉLULAS E ANIMAIS TRANSGÊNICOS A transferência gênica a células animais Os rebanhos farmacêuticos

93

O IMPACTO NA SOCIEDADE

CAPÍTULO PÁGINA

10. BIOTECNOLOGIA E INDÚSTRIA

O PROCESSO WEIZMANN A INDÚSTRIA QUÍMICA

A via química A via biotecnológica

OS PRODUTOS BIOTECNOLÓGICOS Metabólitos de interesse comercial Enzimas Biopolímeros e bioplásticos

OS BIOCOMBUSTÍVEIS Etanol Biogás Biodiesel Perspectivas

109

11. BIOTECNOLOGIA E MEIO AMBIENTE

O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL AS TECNOLOGIAS LIMPAS

A substituição de processos industriais A substituição de insumos agrícolas

A REDUÇÃO DOS RESÍDUOS A degradação do lixo O tratamento das águas residuais O tratamento dos efluentes industriais As emissões de gases e o efeito estufa

A BIORREMEDIAÇÃO Os contaminantes Os tratamentos Um exemplo: os vazamentos de petróleo

A RECUPERAÇÃO DE RECURSOS NATURAIS O petróleo Os metais A biomineração

O DIAGNÓSTICO DE CONTAMINAÇÃO AMBIENTAL Indicadores biológicos Técnicas genéticas Técnicas imunológicas Biossensores

125


iv

CAPÍTULO PÁGINA

12. BIOTECNOLOGIA E BIODIVERSIDADE

A DESAPARIÇÃO DOS ECOSSISTEMAS NATURAIS O HOMEM E AS PLANTAS

As plantas alimentícias As plantas comerciais As plantas medicinais

A BIODIVERSIDADE AMEAÇADA A erosão genética A expansão do agronegócio A transgênese

A PROTEÇÃO DA BIODIVERSIDADE Os centros de diversificação A conservação da biodiversidade O CGIAR e o centro internacional da batata O protocolo de Cartagena de biossegurança

139

13. BIOTECNOLOGIA E AGRICULTURA

A EVOLUÇÃO DAS PRÁTICAS AGRÍCOLAS A OBTENÇÃO DE NOVAS VARIEDADES

Mutação gênica e seleção Alteração do número de cromossomos Engenharia genética

O PRINCÍPIO DE PRECAUÇÃO AS PLANTAS BIOTECNOLÓGICAS ATUAIS

Modificação das propriedades agronômicas Plantas com qualidades nutricionais melhoradas Plantas com propriedades novas

O AGRONEGÓCIO A adoção dos cultivos biotecnológicos no mundo O mercado de sementes A União Europeia e a moratória Os países de América Latina

A COEXISTÊNCIA É POSSÍVEL?

151

14. BIOTECNOLOGIA E PECUÁRIA

A CRIAÇÃO DE ANIMAIS A NUTRIÇÃO DOS ANIMAIS

A necessidade de rações De liebig à vaca louca Variações sobre a composição das rações As rações transgênicas

O MELHORAMENTO GENÉTICO DO GADO O controle da reprodução As novas tecnologias

O MELHORAMENTO DA PRODUÇÃO Carne, leite, ovos e lã A aquicultura

A SAÚDE DOS ANIMAIS Resistência a doenças Prevenção e tratamento

NOVAS UTILIZAÇÕES DOS ANIMAIS DOMÉSTICOS Modelos de estudo para doenças humanas Xenotransplantes Os animais como biorreatores O marco conceitual dos três rs

OS ANIMAIS DE ESTIMAÇÃO

165

BIOTECNOLOGIA 2011 / Sumário

v

CAPÍTULO PÁGINA

15. BIOTECNOLOGIA E ALIMENTOS

OS ALIMENTOS FERMENTADOS O pão

O vinho

A cerveja

Queijos e iogurtes

A PROTEÍNA DE CÉLULA ÚNICA

OS ADITIVOS Os diversos tipos

Os adoçantes

OS ALIMENTOS BIOFORTIFICADOS

179

16. BIOTECNOLOGIA E NOVOS ALIMENTOS

A ENTRADA DOS TRANSGÊNICOS NA CADEIA ALIMENTAR Melhorando a conservação

Melhorando as propriedades industriais

Melhorando as características nutricionais

À FAVOR OU CONTRA?

O QUE O CONSUMIDOR PRECISA SABER

A noção de segurança

A ingestão de DNA

Os marcadores de resistência a antibióticos

A composição química

A produção de toxinas

A produção de alérgenos

A utilização de um promotor viral (CamMV)

Outros efeitos

COMO GARANTIR A SEGURANÇA ALIMENTAR? O princípio de equivalência substancial

A avaliação de riscos

A rotulagem dos alimentos

Rotulo e informação

O rastreamento de um transgene

191

17. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE – AS VACINAS

AS DOENÇAS INFECCIOSAS

A AQUISIÇÃO DE IMUNIDADE

OS DIFERENTES TIPOS DE VACINAS A primeira geração

A segunda geração

A terceira geração

A PRODUÇÃO DE VACINAS Pesquisa e desenvolvimento

Aspectos tecnológicos

Aspectos econômicos

Um setor estratégico para a sociedade

O ROL DAS VACINAS NA ERRADICAÇÃO DA DOENÇA O caso da varíola

O caso da poliomielite

O caso da influenza

A AMEAÇA DAS DOENÇAS EMERGENTES

O BIOTERRORISMO

199


vi

CAPÍTULO PÁGINA

18. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE - TESTES DIAGNÓSTICOS

OS TESTES DIAGNÓSTICOS AS TENDÊNCIAS ATUAIS

O que é um bom teste As técnicas com base bioquímica As técnicas com base imunológica As técnicas com base genética

O DIAGNÓSTICO DAS DOENÇAS INFECCIOSAS A TIPIFICAÇÃO DE TECIDOS

Sangue Outros tecidos e órgãos

A PRÁTICA FORENSE O DIAGNÓSTICO DE DOENÇAS DE ORIGEM GENÉTICA

As limitações dos testes As estratégias seguidas Diagnóstico preventivo e preditivo

215

19. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE - MEDICAMENTOS

A INDÚSTRIA DE MEDICAMENTOS OS PRINCÍPIOS ATIVOS DAS PLANTAS

O caso da aspirina Os fitoterápicos As novas tecnologias A importância de um marco legal

AS SUBSTÂNCIAS ANTIBIÓTICAS Os limites ao uso de antibióticos A necessidade de inovação

AS PRIMEIRAS MOLÉCULAS TERAPÊUTICAS O caso da insulina A substituição do produto natural Os produtos e suas utilizações A indústria biotecnológica

OS MEDICAMENTOS PERSONALIZADOS A farmacogenômica O custo dos novos medicamentos

PATENTES E GENÉRICOS

229

20. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE - NOVOS TRATAMENTOS

A APROVAÇÃO DE UM TRATAMENTO EXPERIMENTAL AS TERAPIAS BIOLÓGICAS

Os anticorpos monoclonais O câncer como doença genética As vacinas terapêuticas

AS TERAPIAS GÊNICAS Terapias somáticas e germinais Os altos e baixos de uma tecnologia O estado da arte As promessas do silenciamento gênico

A MEDICINA REGENERATIVA Os transplantes de órgãos A engenharia de tecidos As terapias celulares

247

CONSIDERAÇÕES FINAIS 261

BIBLIOGRAFIA 263

ÍNDICE REMISSIVO 293

LISTA DE FIGURAS E TABELAS

vii

INTRODUÇÃO

CAPÍTULO 1. O QUE É BIOTECNOLOGIA?

FIGURA 1.1. O campo da Biotecnologia. TABELA 1.1. Produtos e serviços de origem biotecnológica, em diferentes setores.

OS AGENTES BIOLÓGICOS

CAPÍTULO 2. AS CÉLULAS E OS CROMOSSOMOS

FIGURA 2.1. Representações esquemáticas da estrutura celular (bacteriana, eucariótica animal e vegetal). FIGURA 2.2. As células-tronco embrionárias. FIGURA 2.3. Mitose e meiose. FIGURA 2.4. Monoibridismo. FIGURA 2.5. Diibridismo. FIGURA 2.6. Representação dos cromossomos humanos. TABELA 2.1. A função e a distribuição das estruturas celulares. TABELA 2.2. As células como agentes biológicos.

CAPÍTULO 3. OS MICRORGANISMOS

FIGURA 3.1. Bactérias e clones. FIGURA 3.2. Alguns tipos de vírus. FIGURA 3.3. A multiplicação de um bacteriófago. FIGURA 3.4. Alguns logotipos utilizados como indicação de risco biológico. TABELA 3.1. Os microrganismos dentro do marco da uma classificação biológica atual. TABELA 3.2. As bactérias (Eubactérias e Arqueas) como agentes biológicos. TABELA 3.3. As algas como agentes biológicos. TABELA 3.4. Os fungos como agentes biológicos. TABELA 3.5. Principais destaques entre os agentes biológicos microbianos.

CAPÍTULO 4. AS ENZIMAS E OS ANTICORPOS

FIGURA 4.1. A composição química de uma bactéria. FIGURA 4.2. Aminoácidos e proteínas. FIGURA 4.3. Cromatografia em coluna. FIGURA 4.4. Eletroforese. FIGURA 4.5. O mecanismo da atividade enzimática (Modelo chave-fechadura). FIGURA 4.6. A estrutura da molécula de anticorpo (IgG) FIGURA 4.7. Os anticorpos e o reconhecimento do antígeno. FIGURA 4.8. O encontro do linfócito B e do antígeno, e a seleção clonal. FIGURA 4.9. A produção de anticorpos no laboratório. FIGURA 4.10. Os ensaios imunológicos (associação com moléculas fluorescentes ou com enzimas). TABELA 4.1. As funções das proteínas no organismo. TABELA 4.2. A classificação internacional das enzimas. TABELA 4.3. As enzimas como agente biológico. TABELA 4.4. Os anticorpos como agentes biológicos.

CAPÍTULO 5. OS ÁCIDOS NUCLEICOS E OS GENES

FIGURA 5.1. Os ácidos nucleicos (composição química, estrutura da molécula de DNA). FIGURA 5.2. O fluxo da informação genética. FIGURA 5.3. A síntese de proteínas em células procarióticas e eucarióticas. FIGURA 5.4. A organização e regulação dos genes nas células procarióticas. FIGURA 5.5. A organização e regulação dos genes nas células eucarióticas. FIGURA 5.6. As etapas da síntese de proteínas (Recapitulação). FIGURA 5.7. O silenciamento gênico. TABELA 5.1. O código genético. TABELA 5.2. O DNA como agente biológico.


viii

AS FERRAMENTAS BÁSICAS

CAPÍTULO 6. OS PROCESSOS FERMENTATIVOS

FIGURA 6.1. O processo fermentativo genérico FIGURA 6.2. Respiração e fermentação. FIGURA 6.3. As diversas fases do crescimento de uma população microbiana e a produção de metabólitos (As fases de crescimento de uma população; a produção de metabólitos primários e secundários). FIGURA 6.4. Biorreator para fermentações em fase sólida FIGURA 6.5. Um processo tradicional, a produção de vinagre (Método de Orléans) FIGURA 6.6. Modelo de biorreator utilizado em fermentações submersas. FIGURA 6.7. Fermentações, agentes biológicos e biorreatores. FIGURA 6.8. A mudança de escala, do laboratório à indústria.

CAPÍTULO 7. A CULTURA DE CÉLULAS E TECIDOS

FIGURA 7.1. As diversas partes de uma planta angiosperma. FIGURA 7.2. O procedimento a seguir para se obter uma cultura asséptica no laboratório. FIGURA 7.3. Obtenção de subculturas a partir de explantes nodais. FIGURA 7.4. A cultura de meristemas. FIGURA 7.5. As diferentes possibilidades dos cultivos de calos. FIGURA 7.6. As possibilidades do cultivo de células vegetais e animais. FIGURA 7.7. As culturas de células de origem animal (Cultura de leucócitos para a análise do cariótipo; etapas da cultura de células a partir de um fragmento de tecido).

TABELA 7.1. Os componentes do meio de cultura para células vegetais. TABELA 7.2. Os componentes de um meio de cultura básico para células animais. TABELA 7.3. Origem e utilização de algumas linhagens celulares.

CAPÍTULO 8. A TECNOLOGIA DO DNA

FIGURA 8.1. A eletroforese do DNA. FIGURA 8.2. Os polimorfismos de restrição. FIGURA 8.3. Hibridização de uma sonda com a sequência complementar. FIGURA 8.4. O método de Southern. FIGURA 8.5. O polimorfismo de uma sequência de vinters (VNTRs). FIGURA 8.6. A síntese de oligonucleotídeos. FIGURA 8.7. A síntese de cDNA por transcriptase reversa. FIGURA 8.8. A reação em cadeia da polimerase (Os elementos necessários; a amplificação do DNA). FIGURA 8.9. O sequenciamento de um fragmento de DNA. FIGURA 8.10. Fundamentos da tecnologia de arrays.

CAPÍTULO 9. A ENGENHARIA GENÉTICA

FIGURA 9.1. A experiência que deu origem à engenharia genética: cortar, colar, copiar. FIGURA 9.2. Sapobacter ou Bactosapo? FIGURA 9.3. A construção de bibliotecas de genes. FIGURA 9.4. A produção de somatotropina por engenharia genética. FIGURA 9.5. Algumas estratégias possíveis de clonagem. FIGURA 9.6. A estrutura de um vetor de expressão. FIGURA 9.7. A construção de uma planta transgênica no laboratório. FIGURA 9.8. As etapas da construção de uma planta transgênica. FIGURA 9.9. Dolly, um clone obtido por transferência nuclear. FIGURA 9.10. Construção de animais transgênicos (microinjeção; transfecção de células-tronco embrionárias).

BIOTECNOLOGIA 2011 / Lista de figuras e tabelas

ix

O IMPACTO NA SOCIEDADE

CAPÍTULO 10. BIOTECNOLOGIA E INDÚSTRIA

FIGURA 10.1. As etapas necessárias para a produção de etanol a partir de diferentes matérias-primas. FIGURA 10.2. A produção de etanol a partir da cana-de-açúcar. FIGURA 10.3. A biodigestão em condições aeróbias e anaeróbias. FIGURA 10.4. As complexas etapas da produção de biogás dentro do biodigestor. FIGURA 10.5. As utilizações do biogás. FIGURA 10.6. A reação de transesterificação.

TABELA 10.1. Diversidade de produtos derivados de algumas matérias-primas renováveis. TABELA 10.2. Metabólitos primários e secundários obtidos por fermentação e/ou bioconversão enzimática. TABELA 10.3. O poder calorífico de vários combustíveis.

CAPÍTULO 11. BIOTECNOLOGIA E MEIO AMBIENTE

FIGURA 11.1. A indústria de papel e de celulose. FIGURA 11.2. A compostagem. FIGURA 11.3. O tratamento das águas residuais. FIGURA 11.4. As estratégias de biorremediação. FIGURA 11.5. O funcionamento de um biossensor.

TABELA 11.1. Alguns exemplos de utilização de agentes biológicos como pesticidas. TABELA 11.2. Os principais contaminantes do meio ambiente.

CAPÍTULO 12. BIOTECNOLOGIA E BIODIVERSIDADE

FIGURA 12.1. O transporte de plantas de um continente a outro. FIGURA 12.2. Distribuição da produção agrícola (grãos e cereais, pradarias e pastagens, cultivos diversos) na área habitável do planeta.

TABELA 12.1. Os principais tipos de vegetais que entram em nossa alimentação. TABELA 12.2. O tamanho da população humana. TABELA 12.3. As plantas e a indústria. TABELA 12.4. Os centros de diversificação e os cultivos originários.

CAPÍTULO 13. BIOTECNOLOGIA E AGRICULTURA

FIGURA 13.1. O milho. FIGURA 13.2. A produção de milho híbrido. FIGURA 13.3. As etapas da construção de uma planta transgênica. FIGURA 13.4. Os elos que integram a cadeia produtiva da semente.

CAPÍTULO 14. BIOTECNOLOGIA E PECUÁRIA

FIGURA 14.1. O Controle da reprodução em bovinos.

TABELA 14.1. O risco de escapamento de um animal transgênico. TABELA 14.2. Significado e alcance dos três Rs.

CAPÍTULO 15. BIOTECNOLOGIA E ALIMENTOS

FIGURA 15.1. A panificação. FIGURA 15.2. A vinificação. FIGURA 15.3. As etapas da produção de cerveja. FIGURA 15.4. A produção de laticínios (iogurte, queijo). FIGURA 15.5. A produção de xarope de frutose.


x

CAPÍTULO 16. BIOTECNOLOGIA E NOVOS ALIMENTOS

FIGURA 16.1. A estrutura de um transgene. FIGURA 16.2. O símbolo de transgênico, adotado no Brasil.

CAPÍTULO 17. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE – AS VACINAS

FIGURA 17.1. A resposta primária e secundária do organismo. FIGURA 17.2. A memória imunológica. FIGURA 17.3. A utilização da tecnologia do DNA-recombinante na vacina contra a hepatite B. FIGURA 17.4. Os diferentes tipos de vacinas virais. TABELA 17.1. As principais instituições produtoras de vacinas no Brasil.

CAPÍTULO 18. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE – OS TESTES DIAGNÓSTICOS

FIGURA 18.1. Imagens comerciais de alguns dispositivos miniaturizados utilizados em testes diagnósticos. FIGURA 18.2. Imagem comercial dos sistemas API de Biomérieux. FIGURA 18.3. Uma microplaca de poliestireno. FIGURA 18.4. Os métodos direto e indireto de um teste positivo de ELISA. FIGURA 18.5. Imagem mostrando a identificação dos 46 pares de cromossomos humanos mediante a técnica de SKY. FIGURA 18.6. Imagem comercial de um termociclador para a reação em cadeia da polimerase. FIGURA 18.7. O uso de arrays no diagnóstico de mutações nos genes BRCA1 e BRCA2. FIGURA 18.8. O sistema HLA.

TABELA 18.1. As qualidades de um bom teste de diagnóstico. TABELA 18.2. Algumas das mais de 8.000 doenças genéticas descritas.

CAPÍTULO 19 BIOTECNOLOGIA E SAÚDE – OS MEDICAMENTOS

FIGURA 19.1. As etapas do desenvolvimento de um medicamento. FIGURA 19.2. A fórmula da aspirina. FIGURA 19.3. A fórmula da penicilina. FIGURA 19.4. A estrutura da molécula de insulina humana. FIGURA 19.5. A síntese da insulina.( síntese in vivo; síntese em Escherichia coli (1982). FIGURA 19.6. Os fundamentos do projeto internacional HapMap.

TABELA 19.1. A linha do tempo de entrada dos antibióticos e antibacterianos no mercado. TABELA 19.2. Alguns biofármacos de interesse médico. TABELA 19.3. As principais proteínas terapêuticas comercializadas atualmente.

CAPÍTULO 20 BIOTECNOLOGIA E SAÚDE – OS NOVOS TRATAMENTOS

FIGURA 20.1. A transformação de uma célula normal em cancerosa por mutação (câncer de cólon). FIGURA 20.2. O tratamento com sipuleucel-T (Provenge®). FIGURA 20.3. O princípio da terapia gênica. FIGURA 20.4. As tecnologias de silenciamento gênico. FIGURA 20.5. A clonagem terapêutica, uma forma de gerar células-tronco embrionárias com a informação genética do doador do núcleo.

TABELA 20.1. Os 10 anticorpos monoclonais de uso terapêutico, líderes de venda em 2010. TABELA 20.2. As características comparadas das células-tronco adultas e embrionárias.

1. O QUE É BIOTECNOLOGIA?

Copyright © Maria Antonia Malajovich

Biotecnologia: ensino e divulgação (www.bteduc.bio.br)

A BIOTECNOLOGIA TRADICIONAL

Cultivar vegetais, domesticar animais, transformar os alimentos ou aproveitar as propriedades

curativas de algumas plantas são atividades que remontam à alvorada da humanidade e se

desenvolveram com base no conhecimento empírico, ignorando a existência dos microrganismos ou

das leis da hereditariedade.

No início do século XIX, a demanda de mão de obra por uma indústria incipiente estimula a

migração da população do campo para a cidade. Em condições sanitárias cada vez mais degradadas,

as doenças e a fome acompanham o homem. Ao mesmo tempo, o progresso exige processos

industriais mais eficientes. A compreensão dos fenômenos naturais torna-se indispensável para

responder às necessidades da sociedade.

A partir de 1850 surgem novas áreas do conhecimento. Nasce a Microbiologia, a Imunologia, a

Bioquímica e a Genética. A Química Industrial se desenvolve aceleradamente e, também, aumenta a

intervenção da Engenharia Agrícola e da Pecuária no gerenciamento do campo.

Em 1914, Karl Ereky, um engenheiro agrícola húngaro, desenvolve um gigantesco plano de

criação de suínos visando substituir as práticas tradicionais por uma indústria agrícola capitalista

baseada no conhecimento científico. Deve-se a Ereky (1919) a primeira definição de biotecnologia,

como “a ciência e os métodos que permitem a obtenção de produtos a partir de matéria-prima,

mediante a intervenção de organismos vivos”. Para ele, a era bioquímica substituiria a era da pedra e

do ferro.

O século XX assiste a um desenvolvimento extraordinário da ciência e da tecnologia (eletrônica,

informática). Da convergência entre ambas resultam logros extraordinários em vários setores

produtivos, onde os seres vivos constituem a base de itens tão diversos como a produção de

variedades vegetais mais produtivas, a fabricação de novos alimentos, o tratamento do lixo, a

produção de enzimas e os antibióticos.

A BIOTECNOLOGIA MODERNA

A proposta de J. D. Watson e F. Crick (1953) de um modelo helicoidal para a molécula de DNA

representa, sem dúvida, um marco fundamental na história da Biologia Molecular. Mas a divisória

entre a Biotecnologia clássica e a Biotecnologia moderna é uma série de experiências realizadas por

H. Boyer e S. Cohen que culmina em 1973 com a transferência de um gene de sapo a uma bactéria. A

partir desse momento é possível mudar o programa genético de um organismo transferindo-lhe

genes de outra espécie.

A importância e os riscos inerentes à nova tecnologia não passaram despercebidos para as

pessoas envolvidas. Fato inédito na história, em 1975 os cientistas reunidos em Asilomar (USA)

estabeleceram uma moratória em seus trabalhos até serem definidas as condições de segurança

adequadas, o que aconteceu pouco tempo mais tarde.

Na passagem de uma biotecnologia de laboratório a uma biotecnologia industrial, a Engenharia

Genética ocupa um lugar de destaque como tecnologia inovadora. Em alguns casos, como os da

insulina e do hormônio do crescimento, a inovação consiste em substituir os métodos de obtenção

tradicionais. Em outros casos, como o dos anticorpos monoclonais ou do Golden Rice, um arroz com

vitamina A, trata-se de produtos inteiramente novos.


2

Entretanto, a manipulação gênica não é a única ferramenta disponível. A Biotecnologia abrange

hoje uma área ampla do conhecimento que decorre da ciência básica (biologia molecular,

microbiologia, biologia celular, genética etc.), da ciência aplicada (técnicas imunológicas e

bioquímicas, assim como técnicas decorrentes da física e da eletrônica), e de outras tecnologias

(fermentações, separações, purificações, informática, robótica e controle de processos). Trata-se de

uma rede complexa de conhecimentos onde ciência e tecnologia se entrelaçam e complementam.

AS DEFINIÇÕES DE BIOTECNOLOGIA

O impacto causado pelas primeiras experiências de Engenharia Genética estimulou numerosas

tentativas de redefinição do campo da Biotecnologia. Mediante a substituição da expressão

“intervenção de organismos vivos” por “utilização de processos celulares e moleculares” tratou-se de

diferenciar a Biotecnologia clássica da moderna. Porém, devido à enorme difusão das técnicas de

manipulação gênica, elas acabam se superpondo, e, fora do contexto histórico, é difícil distinguir o

limite entre ambas.

Por outro lado, como a definição de um setor de atividades depende dos interesses dos grupos

envolvidos, muitas vezes reflete a visão dos setores profissionais predominantes. Por isso, se

revisitarmos os textos da década de 1980, anos em que a expressão “biotecnologia” se expande,

encontraremos mais de uma dúzia de definições diferentes do termo. Levantamos, entre as

definições encontradas com maior frequência, as seguintes:

o OECD - Organisation for Economic Co-Operation and Development: A aplicação dos princípios da

ciência e da engenharia no tratamento de matérias por agentes biológicos na produção de bens e

serviços (1982).

o OTA – Office of Technology Assessment: Biotecnologia, de uma forma abrangente, inclui qualquer

técnica que utiliza organismos vivos (ou partes deles) para obter ou modificar produtos, melhorar

plantas e animais, ou desenvolver microrganismos para usos específicos (1984).

o EFB - European Federation of Biotechnology: Uso integrado da bioquímica, da microbiologia e da

engenharia para conseguir aplicar as capacidades de microrganismos, células cultivadas animais

ou vegetais ou parte dos mesmos na indústria, na saúde e nos processos relativos ao meio

ambiente (1988).

o E.H. Houwink: o uso controlado da informação biológica (1989).

o BIO - Biotechnology Industry Organization: em sentido amplo, Biotecnologia é "bio" +

"tecnologia", isto é o uso de processos biológicos para resolver problemas ou fazer produtos úteis

(2003).

Observa-se que, com o tempo, o conceito ganha uma expressão mais simples. As definições

mais recentes não fazem mais referência aos processos tecnológicos envolvidos; talvez porque, além

de complexos e diversos, estes evoluam muito rapidamente.

Neste texto consideraremos a biotecnologia de uma maneira ampla, definida como uma

atividade baseada em conhecimentos multidisciplinares, que utiliza agentes biológicos para fazer

produtos úteis ou resolver problemas. Esta definição é suficientemente abrangente para englobar

atividades tão variadas como as de engenheiros, químicos, agrônomos, veterinários,

microbiologistas, biólogos, médicos, advogados, empresários, economistas etc.(Figura 1.1).

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 1: O que é Biotecnologia?

3

O IMPACTO DA BIOTECNOLOGIA

Já não se trata de promessas ou de perspectivas futuras; os produtos e processos biotecnológicos

fazem parte de nosso dia a dia, trazendo oportunidades de emprego e investimentos. Trata-se de

plantas resistentes a doenças, plásticos biodegradáveis, detergentes mais eficientes,

biocombustíveis, e também processos industriais menos poluentes, menor necessidade de

pesticidas, biorremediação de poluentes, centenas de testes de diagnóstico e de medicamentos

novos (Tabela 1.1).

FIGURA 1.1. O campo da Biotecnologia.

Conhecimentos Agentes biológicos

Ciência e tecnologia Organismos, células, organelas, moléculas

Fazer produtos úteis Resolver problemas

TABELA 1.1. Produtos e serviços de origem biotecnológica, em diferentes setores.

SETORES TIPOS DE PRODUTOS OU SERVIÇOS

Energia Etanol, biogás e outros combustíveis (a partir de biomassa).

Indústria Butanol, acetona, glicerol, ácidos, vitaminas etc. Numerosas enzimas para outras indústrias (têxtil, de detergentes etc.).

Meio ambiente Recuperação de petróleo, biorremediação (tratamento de águas servidas e de lixo, eliminação de poluentes).

Agricultura Adubo, silagem, biopesticidas, biofertilizantes, mudas de plantas livres de doenças, mudas de árvores para reflorestamento. Plantas com características novas incorporadas (transgênicas): maior valor nutritivo, resistência a pragas e condições de cultivo adversas (seca, salinidade, etc.).

Pecuária Embriões, animais com características novas (transgênicos), vacinas e medicamentos para uso veterinário.

Alimentação Panificação (pães e biscoitos), laticínios (queijos, iogurtes e outras bebidas lácteas), bebidas (cervejas, vinhos e bebidas destiladas) e aditivos diversos (shoyu, monoglutamato de sódio, adoçantes etc.); proteína de célula única (PUC) para rações, alimentos de origem transgênica com propriedades novas.

Saúde Antibióticos e medicamentos para diversas doenças, hormônios, vacinas, reagentes e testes para diagnóstico, tratamentos novos etc.

BIOTECNOLOGIA


4

BIOTECNOLOGIA E DESENVOLVIMENTO

Por se tratar de uma coleção de tecnologias diversas, o uso das biotecnologias não se restringe

necessariamente aos países desenvolvidos. Existe um espaço que os países emergentes podem

ocupar, em função de suas riquezas naturais, desde que existam prioridades econômicas e políticas

definidas claramente. A condição fundamental é contar com instituições competentes que formem

uma massa crítica de pesquisadores e pessoal técnico treinado.

A China e a Índia contam hoje com uma indústria biotecnológica avançada e diversificada. Assim

como a América Latina, onde esta se concentra principalmente na Argentina, no Brasil, no Chile, na

Colômbia, em Cuba e no México. Países como Uruguai e Venezuela também têm atividade em

algumas áreas, assim como, em menor escala, Equador, Costa Rica, Paraguai, Peru e Bolívia. Na

região, umas 500 empresas incidem em vários setores: meio ambiente e indústria, agroalimentos e

pecuária, saúde animal e humana.

No entanto, a Biotecnologia suscita ainda opiniões e sentimentos controversos. Enquanto

alguns setores a percebem como uma tecnologia baseada em um sólido conhecimento científico,

para outros se trata de uma atividade antinatural e perigosa. O enfrentamento de partidários e

opositores ocorre com menos frequência no terreno das razões que no das paixões, sejam elas

políticas, religiosas ou ideológicas. Ao discutir se a biotecnologia é progressista ou reacionária, boa

ou ruim, se esquece que o que caracteriza uma tecnologia é o uso que fazemos dela.

Produtos e processos inimagináveis trinta anos atrás entram em nosso cotidiano antes que os

alicerces científicos e tecnológicos correspondentes se insiram em nossa cultura, através de uma

divulgação ampla que atinja também o sistema educativo em todos os seus níveis. Não existe

possibilidade alguma de construir uma sociedade moderna se os seus integrantes ignorarem os

aspectos mais gerais de ciência e tecnologia. O desconhecimento aumenta o risco de rejeitar

tecnologias promissoras, capazes de abrir perspectivas novas, com vistas a um desenvolvimento

sustentável em áreas tão críticas como a saúde, a produção de alimentos, a energia e o meio

ambiente.

A proposta deste livro é revisar os fundamentos das biotecnologias e mostrar como esses se

aplicam em diversos setores produtivos da sociedade, destacando como exemplos alguns

empreendimentos latino-americanos bem sucedidos. Esperamos que ele seja de ajuda para todos os

que nos preocupamos com os alcances desta fascinante (r)evolução tecnológica.

A HISTÓRIA DA BIOTECNOLOGIA

DATA ACONTECIMENTOS FUNDAMENTAIS

ANTIGUIDADE Preparação e conservação de alimentos e bebidas por fermentação (pão, queijo,

cerveja, vinho e vinagre); cultivo de plantas (batata, milho, cevada, trigo etc.);

domesticação de animais; tratamento de infecções (com produtos de origem vegetal

tais como pó de crisântemo e derivados de soja com fungos).

IDADE MÉDIA

Século XII Destilação do álcool.

IDADE MODERNA

Século XVI Cronistas registram a colheita de algas para alimentação, nos lagos de México, pelos

astecas.

Século XVII Início da produção comercial de cerveja; extração de metais por ação microbiana na

Espanha; cultivo de fungos na França; Hooke descobre a existência de células (1665).


5

Século XVIII Invento da máquina a vapor (1752). A partir de 1750, crece o cultivo de leguminosas na

Europa e se difunde a prática de rotação de cultivos, aumentando a produtividade e

melhorando o uso da terra.

IDADE CONTEMPORÂNEA

1797 Jenner inocula uma criança com um vírus que o protege contra a varíola.

1809 Appert utiliza o calor para esterilizar e conservar comida, processo que será utilizado nas

campanhas napoleônicas.

1835 a 1855 Schleiden, Schwann e Virchow enunciam a teoria celular.

1863 a 1886 Pasteur inventa um processo para conservar alimentos sem alterar suas propriedades

organolépticas (Pasteurização, 1863), derruba a teoria da abiogênese (1864), investiga as

doenças do bicho-da-seda (1865), identifica a levedura como o agente responsável pela

fermentação alcoólica (1876), usa microrganismos atenuados para obter vacinas contra o

antraz e a cólera (1881), faz os primeiros testes de uma vacina contra a raiva (1881).

Paralelamente, Koch inicia o desenvolvimento de técnicas fundamentais para o estudo dos

microrganismos (1876), e enuncia quatro postulados sobre os agentes infecciosos como

causa de doenças. Em 1865 Mendel apresenta o seu trabalho “Experiências de

hibridização em plantas”.

1887 Inauguração em Paris do Instituto Pasteur.

1892 Descoberta do vírus do mosaico do tabaco; introdução do trator na agricultura.

1897 Büchner mostra que enzimas extraídas da levedura podem transformar açúcar em álcool.

1899 Primeiro transplante de um órgão: o rim de um cachorro a outro cachorro.

1900 Redescobrimento das leis da hereditariedade, já enunciadas por Mendel em 1865, porém

esquecidas.

1905 O primeiro transplante de córnea se realiza com sucesso; isto porque a córnea não tem

antígenos.

1906 Ehrlich descobre o primeiro agente quimioterápico, chamado Salvarsan, que será utilizado

contra sífilis.

1910 Em Manchester, na Inglaterra, começam a ser introduzidos os sistemas de purificação de

esgoto baseados na atividade microbiana.

1912 a 1914 Rhöm obtém a patente de uma preparação enzimática para a lavagem de roupas;

Weizmann consegue a produção de acetona e butanol por microrganismos.

1915 Morgan publica “Mechanism of Mendelian Heredity”.

1916 Imobilizam-se as enzimas, uma técnica que facilita sua utilização em processos industriais.

1918 Morrem de gripe espanhola mais de vinte milhões de pessoas, um número de vítimas

superior ao da Primeira Guerra Mundial. Constroem-se biodigestores para a produção de

metano (China e Índia).

1919 O engenheiro agrícola húngaro Ereky utiliza pela primeira vez a palavra biotecnologia.

1927 Muller descobre que os raios X causam mutações.

1928 F. Griffith descobre a transformação, isto é a transferência de informação genética de uma

linhagem bacteriana a outra.

1933 Comercialização do milho híbrido, isto é de sementes de um milho mais produtivo.

1936 Obtenção de ácido cítrico por fermentação.

1938 Na França, produção comercial de um biopesticida (Bacillus thuringiensis).

1940 a 1950 Avanços na mecanização do trabalho agrícola.

1944 Produção em grande escala da penicilina (descoberta por Fleming em 1928, desenvolvida

por Florey e Chain).

1951 Inseminação artificial de gado utilizando sêmen congelado. Descoberta da presença de

genes saltatórios no milho por Bárbara Mc Clintock.

1953 J. D. Watson e F. Crick propõem um modelo da estrutura do DNA.

1959 Reinart regenera plantas de cenoura a partir de uma cultura de células (calo).


6

1960 Aumento da produção de ácido láctico, ácido cítrico, acetona e butanol por via

fermentativa.

1961 Descoberta do código genético. Desenvolvimento de uma protease alcalina para uso em

sabões para a lavagem de roupas pela empresa dinamarquesa Novo.

1962 Plantio de novas variedades de trigo mais produtivas, no México, dando início ao que será

chamado de Revolução Verde.

1967 Primeiro transplante de coração, na África do Sul. O paciente sobrevive 18 dias.

1968 Produção industrial de aminoácidos utilizando enzimas imobilizadas.

1973 Havendo desenvolvido técnicas de corte e reunião do DNA, Cohen e Boyer transferem um

gene a um organismo de outra espécie. Lançado no Brasil o programa de produção de

álcool a partir de biomassa (Pró-Álcool)

1975 G. J. F. Köhler e C. Milstein desenvolvem a tecnologia de hibridomas e obtêm anticorpos

monoclonais. A empresa Novo produz xarope com alto conteúdo de frutose por via

enzimática como adoçante alternativo à sacarose.

1975 A Conferência de Asilomar pede ao National Institute of Health (NIH) que sejam

estabelecidas normas para a regulação dos experimentos com DNA-recombinante, o que

acontecerá meses mais tarde.

1976 Utilização da técnica de hibridização molecular no diagnóstico pré-natal da alfa

talassemia.

1978 Genentech, Inc., a primeira empresa biotecnológica, fundada um ano antes por Boyer e

Swanson, obtém a proteína somatotropina (hormônio de crescimento) mediante a

tecnologia do DNA-recombinante.

Nasce na Inglaterra Louise Brown, o primeiro bebê de proveta.

1979 Produção do hormônio de crescimento humano, utilizando a tecnologia do DNA-

recombinante.

1980 A Suprema Corte de Justiça dos Estados Unidos aprova o princípio de patentes para as

formas de vida de origem recombinante. As primeiras patentes são de A. N. Chakrabarty,

para um microrganismo para biorremediação de petróleo, e de H. Cohen e S.Boyer, pelo

processo de 1973. K. Mullis inventa a técnica da Reação em Cadeia de Polimerase (PCR)

cuja patente será obtida por Cetus, Inc. em 1985 e vendida em 1991 a Hoffman-La Roche,

Inc. por 300 milhões de dólares.

1981 Obtenção da primeira planta geneticamente modificada. Obtenção da primeira linhagem

de células-tronco de camundongo.

1982 A insulina humana de origem recombinante da Genentech, Inc. é comercializada. Uma

licença será obtida mais tarde pela empresa Eli Lilly, que a venderá com o nome de

Humulina®. A primeira vacina de DNA-recombinante para o gado é comercializada na

Europa.

1983 Realizam-se as primeiras experiências de Engenharia Genética em plantas (petúnia).

Syntex Corporation recebe a aprovação da Food and Drug Administration (FDA) de um

teste para Chlamydia trachomatis baseado na utilização de anticorpos monoclonais.

Isolado o vírus HIV no Instituto Pasteur (França) e no NIH (National Institute of Health,

Estados Unidos).

1984 A. Jeffreys introduz a técnica do Fingerprint (impressões digitais), que, um ano depois,

será utilizada pelos tribunais para a identificação de suspeitos. Clonagem e

sequenciamento do genoma do HIV pela empresa Chiron Corp.

1986 A Environmental Protection Agency (EPA) dos Estados Unidos aprova a liberação de

plantas de tabaco transgênicas. Um grupo de especialistas em segurança em Biotecnologia

da Organização para a Cooperação Econômica e o Desenvolvimento (OECD) declara que a

previsibilidade das mudanças genéticas obtidas por Engenharia Genética é

frequentemente maior que a correspondente às técnicas tradicionais, e que os riscos

associados com organismos transgênicos podem ser avaliados do mesmo modo que os

riscos associados aos outros organismos. Aprovada a primeira vacina biotecnológica para

uso humano, trata-se de Recombivax-HB, contra a hepatite B.


7

1987 Advanced Genetic Sciences libera em campo bactérias DNA-recombinante (Frostban) que

inibem a formação de gelo nos cultivos de morango, na Califórnia; a FDA aprova o fator

ativador de plasminogênio, obtido por engenharia genética, para o tratamento de ataques

cardíacos.

1988 A Universidade de Harvard obtém a patente de um rato transgênico desenvolvido

especialmente para o estudo do câncer; na mesma década, os europeus obterão a

patente de outro rato transgênico, sensível a substâncias carcinogênicas. Genencor

International Inc. obtém a patente de um processo que permite obter enzimas (proteases)

resistentes a alvejantes (processo bleach) para a fabricação de sabões para a lavagem de

roupa.

1989 Com a criação do National Center for Human Genome Research se inicia o mapeamento

do genoma humano.

1990 Primeira experiência de terapia gênica para uma doença rara (ADA) em uma menina de

quatro anos. Pfizer comercializa Chy-Max TM

, uma enzima de origem recombinante para a

preparação de queijos. GenPharm International, Inc. consegue uma vaca transgênica que

produz no leite proteínas humanas para alimentação infantil. A Universidade da Califórnia

(UCSF) e a Universidade de Stanford contabilizam 100 patentes relativas ao DNA-

recombinante.

1992 Uma técnica, elaborada por cientistas americanos e britânicos, permite testar

anormalidades como a fibrose cística e a hemofilia em embriões in vitro. A FDA declara

que os alimentos de origem transgênica não demandam uma regulação especial.

1993 Aprovada a utilização do hormônio de crescimento bovino rBGH/rBST, produzido por

Monsanto Co., para aumentar a produção de leite.

1994 Lançamento no mercado do tomate FlavSavr®, que, devido à inativação de um gene,

amadurece na planta.

1995 Decifrado o primeiro genoma de uma bactéria, Haemophilus influenzae.

1996 Sequenciado o primeiro genoma de um organismo eucarionte, a levedura Saccharomyces

cerevisiae. Desenvolve-se o primeiro GeneChip (Stanford, Affymetrix).

1997 No Reino Unido, nascem Dolly, uma ovelha clonada, e, meses mais tarde, uma segunda

ovelha, Polly, clonada e geneticamente modificada. Os cultivos transgênicos são

introduzidos em vários países.

1998 Contabilizam-se mais de 1.500 empresas de Biotecnologia nos Estados Unidos e mais de

3.000 no mundo. Células-tronco embrionárias são utilizadas para regenerar tecidos.

Sequenciamento do primeiro genoma animal, o verme Caenorrabditis elegans. Isolada a

primeira linhagem de células-tronco embrionárias humanas.

1999 Sequenciamento do primeiro cromossomo humano. Pesquisadores descobrem que as

células-tronco podem ser induzidas a se diferenciar em diversos tipos celulares.

2000 O rascunho do sequenciamento do genoma humano é anunciado simultaneamente por

Collins, do Consórcio do Genoma Humano, e Venter, da Celera Inc. Sequenciados também

o genoma da mosca Drosophila melanogaster, o primeiro genoma de uma planta

(Arabidopsis thaliana) e, no Brasil, o de uma bactéria que ataca os cítricos (Xylella

fastidiosa).

2001 O rascunho do sequenciamento do Genoma Humano é publicado simultaneamente nas

revistas Science e Nature. Sequenciamento do genoma de plantas de interesse

agronômico para os países em desenvolvimento (arroz, banana). Sequenciamento do

genoma de bactérias de importância agronômica. Obtenção de células sanguíneas a partir

de células-tronco embrionárias.

2002 Completados o rascunho do proteoma funcional da levedura e o sequenciamento do

genoma do agente e do vetor transmissor da malária. Identificam-se mais de 200 genes

envolvidos na diferenciação das células-tronco. Descoberta da participação de moléculas

de RNA na regulação de vários processos celulares. Em diversos países inicia-se a

utilização de células-tronco adultas para o tratamento experimental de diversas doenças

(leucemia, mal de Chagas, diabetes e anemia falciforme).


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2003 Comercialização como mascote, do GloFish, um peixe transgênico que brilha na escuridão,

originalmente criado para detectar poluentes. Clonagem de vários tipos de animais e de

espécies ameaçadas de extinção.

2004 Comercialização de novos medicamentos (Avastin® ou bevacizumab) e testes de

diagnósticos.

2006 O grupo de pesquisadores liderado por S. Yamanaka consegue induzir a

pluripotencialidade celular em células somáticas.

2007 As autoridades europeias de segurança alimentar concluem que os genes marcadores de

resistência aos antibióticos não apresentam riscos relevantes para a saúde humana ou

animal nem para o meio ambiente.

2008 Pesquisadores japoneses desenvolvem a primeira rosa azul, geneticamente modificada.

2010 Autorizada na União Europeia a comercialização da batata transgênica Amflora (BASF)

para uso industrial. Pesquisadores do Instituto Craig Venter constroem a primeira célula

sintética.

2. AS CÉLULAS E OS CROMOSSOMOS



A CÉLULA COMO UNIDADE DOS SERES VIVOS

UNIDADE ESTRUTURAL

A célula é a unidade estrutural dos seres vivos. Trate-se de bactérias, amebas, espermatozoides ou

neurônios, todas as células são formadas por água, íons inorgânicos e moléculas orgânicas

(proteínas, carboidratos, lipídios e ácidos nucleicos). E todas elas apresentam uma membrana

plasmática que separa o citoplasma do meio externo e permite o intercâmbio de moléculas entre

ambos.

As células procarióticas se encontram exclusivamente no Reino Monera. Pequenas (0,001 a

0,005 mm) e com requerimentos nutricionais simples, estas células se multiplicam rapidamente. A

informação genética se encontra em um cromossomo circular formado por uma molécula de DNA e

associado a uma invaginação da membrana plasmática (mesossomo). Pequenas moléculas circulares

adicionais (plasmídeos) podem também estar presentes. Numerosos ribossomos asseguram a síntese

proteica (Figura 2.1).

Bem mais complexa é a estrutura das células eucarióticas, presentes nos quatro Reinos

restantes (Protista, Fungo, Planta e Animal). Com um tamanho variando entre 0,01 e 0,10 mm, estas

células são dez vezes maiores que as procarióticas. A presença de compartimentos diferenciados, ou

organelas, que cumprem atividades específicas, resulta em uma subdivisão do trabalho que garante

a eficiência do funcionamento celular (Figura 2.2).

O citoplasma é percorrido por um sistema de membranas, o retículo endoplasmático, que está

associado aos ribossomos e, por conseguinte, à síntese de proteínas. Processados no aparelho de

Golgi, os produtos celulares são secretados ou distribuídos em outras estruturas (lisossomos,

membrana celular).

O metabolismo energético está associado a organelas citoplasmáticas, complexas e rodeadas de

membranas (mitocôndrias, cloroplastos e peroxissomos). Um citoesqueleto, formado por túbulos e

filamentos proteicos, mantém a forma da célula, além de assegurar o transporte interno das

organelas e os movimentos celulares. A informação genética está distribuída em cromossomos, cada

um deles formado por uma molécula linear de DNA associada a proteínas. Os cromossomos e o

nucléolo se encontram no núcleo, que funciona como um centro de controle celular. A membrana

nuclear, um envoltório com poros que separa o núcleo do citoplasma, permite o intercâmbio de

substâncias entre ambos.

Apesar de ter uma organização muito parecida, as células animais diferem das células vegetais

em alguns aspectos. Nas células vegetais encontramos uma parede celular ao redor da membrana

plasmática; o citoplasma contém cloroplastos, onde ocorre a fotossíntese, e grandes vacúolos, onde

se armazenam substâncias e degradam macromoléculas. Nenhuma dessas estruturas se observa nas

células animais; estas têm um centríolo que falta nas células vegetais (Tabela 2.1).


10

FIGURA 2.1. Representações esquemáticas da estrutura celular.

Célula procariótica (bacteriana)

Célula eucariótica (vegetal)

Célula eucariótica (animal)

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 2: As células e os cromossomos

11

TABELA 2.1. A função e a distribuição das estruturas celulares.

Estrutura FUNÇÃO CÉLULA BACTERIANA CÉLULA ANIMAL

CÉLULA VEGETAL

Parede celular Manutenção da forma e proteção da célula.

Presente ou ausente Ausente Presente

Membrana plasmática Manutenção da estabilidade do meio intracelular; controle das trocas entre a célula e o meio extracelular.

Presente

Carioteca ou membrana nuclear

Controle do fluxo de substâncias entre o núcleo e o citoplasma.

Ausente

Presente

Cromossomo(s) Controle da estrutura e do funcionamento celular.

Único e circular; apenas DNA.

Múltiplos e lineares; DNA e proteínas.

Nucléolo(s) Formação de ribossomos. Ausente Presente

Centríolos Formação de cílios e flagelos; participação na divisão celular.

Ausente

Presente

Ausente

Ribossomos Síntese de proteínas. Presente

Retículo endoplasmático rugoso Síntese de proteínas.

Ausente

Presente

Retículo endoplasmático liso Síntese de lipídios; armazenamento e inativação de substâncias.

Complexo de golgi Secreção celular.

Mitocôndrias Respiração celular aeróbia.

Vacúolo central Equilíbrio osmótico e armazenamento.

Ausente

Presente

Lisossomos Digestão intracelular.

Ausente

Presente Ausente

Cloroplastos Fotossíntese. Ausente Presente

Citoesqueleto Manutenção da forma celular; contração; ancoragem de organelas.

Ausente

Presente


12

UNIDADE FUNCIONAL

A célula também é a unidade funcional de um organismo O citoplasma é uma solução viscosa onde

continuamente ocorrem reações de síntese e degradação de substâncias, consumindo ou liberando

energia. Estas reações constituem o que denominamos metabolismo.

As reações metabólicas são facilitadas por proteínas com atividade catalítica, denominadas

enzimas. Assim como as proteínas estruturais, as enzimas se sintetizam nos ribossomos, que são

pequenos componentes citoplasmáticos, não membranosos. A estrutura das proteínas depende da

informação genética codificada no ácido desoxirribonucleico (DNA) e transcrita no ácido ribonucleico

(RNA), que a leva do núcleo até o citoplasma.

As semelhanças de estrutura e funcionamento celulares decorrem de uma origem evolutiva

comum, aproximadamente 3,8 milhões de anos atrás. Os dois tipos celulares que reconhecemos

hoje, as células procarióticas e as eucarióticas, apareceram entre um e um milhão e meio de anos

mais tarde.

TÉCNICAS LABORATORIAIS

O estudo das células se vê facilitado por um conjunto de técnicas laboratoriais, tais como:

o Técnicas microscópicas que permitem uma visualização detalhada da célula:

- Microscopia óptica, que se utiliza para observar os cortes de tecidos. Geralmente, estes são fixados

(álcool, ácido acético, formaldeído) e tingidos com corantes que reagem com as proteínas ou com os

ácidos nucleicos, aumentando o contraste da imagem.

- Microscopia de contraste de fase, que transforma as diferenças de espessura ou de densidade do

fragmento observado em diferenças de contraste.

- Microscopia fluorescente, que associa anticorpos específicos a um reagente como o PVF (proteína

verde fluorescente de medusa), de forma a marcar as moléculas e visualizar sua distribuição nas

células.

- Microscopia confocal, que combina a microscopia fluorescente com a análise eletrônica da imagem,

fornecendo uma imagem tridimensional.

- Microscopia eletrônica, que permite a observação em um plano de cortes tingidos com sais de metais

pesados (microscopia de transmissão) e a observação tridimensional de células (microscopia de

varredura).

- Microscopia de tunelamento, com os diversos tipos de microscópios de varredura por sonda (SPM, do

inglês scanning probe microscope) que, além de fornecer uma imagem de moléculas e átomos,

permitem medições e a manipulação de moléculas e átomos.

o Técnicas físicas como a centrifugação diferencial (ultracentrifugação, centrifugação em gradiente)

para separar os componentes celulares para estudos bioquímicos posteriores.

o Técnicas instrumentais que possibilitam a contagem de células e a separação de populações

celulares (cell sorter) ou de cromossomos (flow sorter).

o Técnicas de cultura de células com objetivos diversos.


13

TODA CÉLULA DERIVA DE OUTRA PREEXISTENTE

Assim como uma planta se forma a partir de outra planta e um animal de outro animal, toda célula

deriva de outra preexistente. Este conceito, enunciado por R. Virchow em 1855, não foi plenamente

aceito até dez anos mais tarde, quando L. Pasteur mostrou experimentalmente que a proliferação de

microrganismos em um meio orgânico estéril se deve à contaminação deste com os microrganismos

presentes no ar, que, ao encontrar um meio propício, se multiplicam rapidamente.

Todo organismo multicelular se forma a partir da multiplicação de uma única célula-ovo ou

zigoto. As contribuições dos genes maternos e paternos para o desenvolvimento do embrião não são

idênticas (imprinting). As células embrionárias se diferenciam, formando mais de 200 tipos de células

em animais, e um pouco menos nos vegetais. Os diferentes tipos celulares cumprem funções

específicas que, integradas, asseguram a unidade do organismo. Nos vegetais, a persistência de

tecidos embrionários totipotentes (meristemas) na planta adulta permite o crescimento e a

regeneração durante a vida toda do organismo. Em condições apropriadas, células especializadas

podem reverter a um estado não diferenciado e regenerar um organismo completo e diferenciado.

Nessas propriedades se fundamenta a propagação de plantas in vitro.

Nos animais superiores, a totipotência se restringe às células do embrião com menos de quatro

dias, que são as únicas capazes de regenerar um organismo inteiro. No entanto, no embrião de mais

de quatro dias, algumas células internas do blastócito (células-tronco embrionárias) podem originar

todos os tecidos do organismo, sendo consideradas pluripotentes (Figura 2.3).

Também tecidos adultos (medula óssea, sangue, córnea e retina, polpa dentária, fígado, pele,

trato digestivo e pâncreas) apresentam células-tronco. Elas podem permanecer nos tecidos,

multiplicando-se durante longos períodos de tempo sem que ocorra a diferenciação.

Em determinadas condições fisiológicas, essas células-tronco adultas originam células

especializadas de vários tipos, assegurando a manutenção e o reparo do tecido onde se encontram.

Um único tipo de célula-tronco multipotente da medula óssea, por exemplo, gera todas as células

sanguíneas (hemácias, leucócitos e plaquetas). Células-tronco unipotentes se diferenciam em uma

única linhagem celular como, por exemplo, os queratinócitos da pele.

FIGURA 2.2. As células-tronco embrionárias.

As células-tronco podem ser extraídas do blastócito com 5 a 7 dias e cultivadas in vitro; colocadas em condições experimentais adequadas, diferenciam-se nos distintos tipos celulares.


14

Por serem mais fáceis de conseguir, as células-tronco adultas encontraram rapidamente

aplicações terapêuticas promissoras. Não aconteceu o mesmo com as células-tronco embrionárias.

Estas podem ser obtidas seja a partir de um embrião, obtido por transferência de um núcleo a um

ovócito anucleado, seja a partir dos embriões supernumerários congelados nas clínicas de fertilização

assistida. Os dois métodos suscitaram grandes debates éticos em torno de quem forneceria os

ovócitos e do status do embrião.

A polêmica começa a esmorecer com o desenvolvimento de uma tecnologia que permite obter,

a partir de células somáticas, células iPS (do inglês, induced pluripotent stem cells) com propriedades

equivalentes às das células-tronco embrionárias. A indução de pluripotencialidade mediante a

inserção de alguns genes em células adultas é um passo importante para acabar com a necessidade

de utilizar embriões congelados.

A tecnologia de reprogramação celular se desenvolve rapidamente, aumentando nosso

conhecimento sobre o controle genético da diferenciação e abrindo uma nova senda para a

implementação de testes, medicamentos e tratamentos novos.

Entender os mecanismos que controlam o crescimento e a diferenciação celular é um dos

maiores desafios atuais, porque as células-tronco possibilitarão novos tratamentos de regeneração

celular para doenças cardíacas, diabetes e doença de Parkinson.

OS CROMOSSOMOS

Cada cromossomo está formado por um filamento de DNA enrolado, a espaços regulares, sobre

proteínas (histonas). Durante a maior parte do ciclo celular, os cromossomos se encontram

distendidos, formando uma rede de filamentos finos (cromatina). Na divisão celular, a cromatina se

condensa, possibilitando a observação microscópica dos cromossomos. Do ponto de vista

morfológico, estes se caracterizam pelo tamanho e a posição do centrômero, uma constrição que

divide o cromossomo em dois braços.

O número de cromossomos n é constante em todos os indivíduos de uma mesma espécie; n =

4 em Drosophila melanogaster e n = 23 no homem, por exemplo. Como nas células somáticas os

cromossomos se encontram sempre em pares, na espécie humana o número de cromossomos (2n) é

de 46, sendo que um par determina o sexo. Os cromossomos sexuais são idênticos na mulher (46,

XX) e diferentes no homem (46, XY). Em outras espécies, a determinação do sexo segue mecanismos

diversos.

Um pouco antes da divisão de uma célula, os cromossomos se duplicam, de maneira que cada

uma das células filhas recebe 2n cromossomos. A mitose mantém constante o número de

cromossomos nas células somáticas dos indivíduos de uma mesma espécie.

Já nas células reprodutivas, a meiose reduz a n o número de cromossomos; na fecundação, a

fusão dos gametas irá restaurar o número n característico da espécie. Durante a meiose, o

entrecruzamento dos cromossomos permite a permuta e recombinação dos genes (Figura 2.4).

Durante a formação dos gametas, erros na disjunção dos cromossomos podem dar origem a

indivíduos com fórmulas cromossômicas alteradas. Na síndrome de Down, por exemplo, a pessoa

apresenta geralmente um cromossomo 21 adicional. (mulheres 47, XX + 21; homens 47, XY + 21).

Estima-se que a percentagem de recém-nascidos com alguma anomalia cromossômica estaria

em torno de 0,85%, dos quais só alguns apresentariam algum sintoma. Alterações cromossômicas

também podem ser relacionadas com alguns tipos de câncer. Na leucemia mieloide crônica, por

exemplo, se observa a translocação recíproca de dois pedaços dos cromossomos 9 e 22. De um modo

geral, é frequente encontrar alterações no número de cromossomos das células cancerosas.


15

A TEORIA CROMOSSÔMICA DA HEREDITARIEDADE

Em 1865, Gregor Mendel apresentou seu trabalho “Experiências de hibridização em plantas”; este

reunia os resultados experimentais realizados com ervilhas (Pisum sativum), durante sete anos, no

jardim do monastério Agostino de Brno (Morávia). Apesar de passar quase despercebido, o trabalho

acabou sendo distribuído por várias bibliotecas da Europa e América, graças a sua publicação um ano

mais tarde nos Anais da Sociedade de História Natural.

No texto figuram algumas generalizações. Conhecida como Primeira Lei de Mendel, Lei de

Segregação ou Monoibridismo, a primeira delas se refere à segregação dos fatores (alelos) de um par

(um gene) na formação de gametas. A segunda, que é conhecida como Segunda Lei de Mendel, Lei

de Segregação Independente ou Diibridismo, se refere à segregação dos fatores (alelos) de dois ou

mais pares (dois ou mais genes) independentes na formação de gametas.

FIGURA 2.3. Mitose e meiose.

Durante a meiose, a permuta de fragmentos cromossômicos homólogos possibilita a recombinação dos genes.


16

FIGURA 2.4. Monoibridismo.

A cor do corpo da Drosophila depende de um gene, localizado no cromossomo III, com dois alelos (e = corpo preto ou ebony, e+= corpo amarelo). O cruzamento entre duas linhagens puras de moscas que diferem pela cor do corpo (amarelo ou preto) gera, na primeira geração (F1), moscas de corpo amarelo, mostrando a recessividade do alelo e. Do cruzamento entre indivíduos da F1 nasce uma segunda geração (F2) com uma proporção fenotípica de 3 moscas amarelas: 1 mosca preta. Esta proporção decorre da segregação dos alelos de um gene, na formação de gametas.


17

FIGURA 2.5. Diibridismo.

A cor do corpo da Drosophila depende de um gene, localizado no cromossomo III, com dois alelos (e = corpo preto ou ebony; e+= corpo amarelo). A presença ou ausência de olhos depende de um gene, localizado no cromossomo IV, com dois alelos (ey = sem olhos, ey+= com olhos). O cruzamento entre duas linhagens puras de moscas que diferem pela cor do corpo (amarelo ou preto) e a presença ou ausência de olhos gera, na primeira geração (F1), moscas com olhos e de corpo amarelo, mostrando a recessividade dos alelos ey e e. Do cruzamento entre moscas da F1 nasce uma segunda geração (F2) com uma proporção fenotípica de 9 moscas amarelas com olhos: 3 moscas amarelas sem olhos, 3 moscas pretas com olhos: 1 mosca preta sem olhos. Esta proporção decorre da segregação independente dos alelos dos genes localizados em diferentes cromossomos homólogos na formação de gametas.


18

Em 1900, depois de chegar de maneira independente a conclusões semelhantes, os

pesquisadores K. Correns, E. Von Tschermak e H.de Vries redescobriram nas bibliotecas o trabalho de

Mendel. Nesse intervalo de 35 anos tinha sido descrita a divisão celular (mitose, 1875; meiose,

1890); o próximo passo correspondeu a Sutton e Boveri (1902), sugerindo que os fatores hereditários

de Mendel estariam nos cromossomos.

A confirmação desta hipótese decorreu dos trabalhos de T.H.Morgan e sua brilhante equipe na

Universidade de Columbia (Nova York), com a mosca da fruta, Drosophila melanogaster.

Em 1910, depois de uma série de cruzamentos e de análises estatísticas, Morgan mostrou que a

herança da cor branca do olho do mutante white está associada à transmissão do cromossomo X,

que determina o sexo.

Morgan e seus colaboradores identificaram numerosos outros mutantes de Drosophila

melanogaster com um padrão mendeliano de hereditariedade. Além de moscas com olhos brancos

em vez de vermelhos, encontraram outras com asas curtas em vez de longas, com corpo de cor

marrom ou preta em vez de amarela etc. Os genes correspondentes se classificam em quatro grupos

de ligação, sendo que cada um deles está associado a um dos quatro pares de cromossomos da

Drosophila.

Como durante a meiose se produzem permutas entre segmentos cromossômicos, nos

cruzamentos aparecem indivíduos recombinantes, isto é, com outras combinações gênicas diferentes

das previstas pelas leis mendelianas. A partir dos dados obtidos em milhares de cruzamentos sobre a

recombinação dos genes de um mesmo grupo de ligação chega-se a estabelecer a distância genética

entre estes.

Com a descoberta de células com cromossomos gigantes (politênicos) nas glândulas salivares

das larvas de drosófila, começaram os primeiros trabalhos de mapeamento, associando os dados

genéticos aos dados físicos.

A observação microscópica das bandas nos cromossomos mostrou com enorme riqueza de

detalhes uma sucessão consistente de bandas largas e estreitas. Da associação entre os métodos

genéticos e os métodos citológicos surgiram os primeiros mapas físicos, associando uma região

cromossômica a cada gene.

Das descobertas de Morgan e sua equipe, nasce a Teoria do Gene, segundo a qual:

1. Os caracteres de um indivíduo correspondem a elementos pares, os genes.

2. Os genes estão ligados uns aos outros nos cromossomos, formando um determinado número de

grupos de ligação.

3. Os genes de cada par se separam durante a gametogênese, de acordo com a Primeira Lei de

Mendel e, em consequência, cada gameta fica contendo apenas um conjunto de genes (Figura

2.4).

4. Os genes pertencentes a grupos de ligação diferentes segregam independentemente, de acordo

com a Segunda Lei de Mendel (Figura 2.5).

5. Entre os elementos pertencentes a cada grupo de ligação, ocorre uma troca ordenada chamada

permuta ou crossing-over, que leva à recombinação dos genes (Figura 2.3). A frequência da

permuta fornece a prova da linearidade dos genes em cada grupo de ligação e permite

determinar sua posição relativa.


19

Os estudos posteriores mostraram a complexidade dos padrões de hereditariedade, que incluem

casos de:

o Alelismo múltiplo, quando um gene admite múltiplos alelos; dominantes, recessivos ou codominantes (Sistema ABO, por exemplo).

o Pleiotropia, quando um gene determina diversos caracteres (pelagem e sobrevivência em ratos, por exemplo).

o Herança poligênica, quando um caráter está determinado por vários genes de efeito cumulativo (altura, cor dos olhos).

o Interação gênica, quando uma característica depende da ação de muitos genes.

Finalmente, deve-se destacar que o fenótipo de um indivíduo é o resultado da interação entre o

genótipo e o ambiente em que este se expressa.

CÉLULAS E CROMOSSOMOS COMO AGENTES BIOLÓGICOS

Um dos testes pioneiros de diagnóstico genético está baseado na observação microscópica dos

cromossomos de células somáticas durante a divisão celular (mitose). A identificação se vê facilitada

pela presença de regiões ou bandas reveladas mediante algumas técnicas de coloração. O número e

a estrutura dos cromossomos são analisados e apresentados em um arranjo (cariótipo) que segue

uma classificação convencional (Figura 2.6).

Os testes de diagnóstico genético envolvendo a análise de cariótipos estão amplamente

difundidos na prática médica, sendo facilitados atualmente pela utilização de corantes específicos

para cada par cromossômico.

FIGURA 2.6. Representação dos cromossomos humanos.

O arranjo segue uma classificação convencional que leva em conta o tamanho, a posição do centrômero

(tracejado no esquema) e o padrão das bandas de cada cromossomo. Fonte: http://www.molecularstation.com/molecular-biology-images/data/502/karyotype.png

Gametas

Heterozigoto

Proporção fenotípica

Gametas

Heterozigoto

Homozigoto e e ey+ ey

+


20

Como agentes biológicos, as células encontram outras aplicações (Tabela 2.2). Células vegetais

cultivadas in vitro produzem substâncias de alto valor agregado, importantes para as indústrias

alimentar, cosmética e farmacêutica. Também se utilizam para regenerar plantas. A multiplicação de

vírus em cultivos de células de insetos permite a comercialização de práticas de controle biológico.

A síntese de algumas substâncias importantes para a indústria farmacêutica, como o fator

ativador de plasminogênio, depende do cultivo in vitro de células animais. Estas também substituem

os animais nos testes toxicológicos e são utilizadas na multiplicação de vírus para a preparação de

vacinas. Também possibilitam a produção de anticorpos.

Combinando as técnicas de cultivo celular com o desenvolvimento de materiais biológicos

semelhantes ao colágeno, uma área nova de engenharia de tecidos visa a reparação ou substituição

de tecidos lesionados. Os enxertos de pele artificial, cultivada in vitro, saram ferimentos e/ou

queimaduras em seres humanos.

TABELA 2.2. As células como agentes biológicos.

CÉLULAS

Vegetais

Indústria alimentar e cosmética (adoçantes, corantes, flavorizantes e aromatizantes).

Indústria farmacêutica (alcaloides e esteroides).

Animais

e/ou

humanas

Estudos toxicológicos.

Diagnóstico clínico (cariótipos).

Indústria farmacêutica (produção de anticorpos e vacinas).

Medicina regenerativa (produção de tecidos de substituição).

3. OS MICRORGANISMOS



A DIVERSIDADE MICROBIANA

O termo “microrganismos” se aplica a um grupo heterogêneo de seres que vivem como células

independentes ou como agregados celulares: bactérias, arqueas, protozoários, algas e fungos e,

também, vírus (Tabela 3.1). Salvo estes últimos, que estão na fronteira entre o vivo e o não vivo, os

encontramos dentro dos três domínios em que se classificam os seres vivos: Bacteria, Archaea e

Eukarya.

TABELA 3.1: Os microrganismos dentro do marco da uma classificação biológica atual.

DOMÍNIO BACTERIA ARCHAEA EUKARYA

REINO EUBACTERIA ARCHAEBACTERIA PROTISTA FUNGI PLANTAE ANIMALIA

TIPO DE

CÉLULA

Procariótica Procariótica Eucariótica Eucariótica Eucariótica Eucariótica

ESTRUTURA

CELULAR

Parede celular

com

peptidoglicano

Parede celular

sem

peptidoglicano

Parede celular

de celulose, em

alguns.

Presença de

cloroplastos,

em alguns.

Parede celular

de quitina.

Ausência de

cloroplastos.

Parede celular de

celulose.

Presencia de

cloroplastos.

Sem parede

celular nem

cloroplastos.

ORGANIZAÇÃO Unicelular Unicelular Uni ou

pluricelular

Uni ou

pluricelular

Pluricelular Pluricelular

NUTRIÇÃO (*) Autotrófica ou

Heterotrófica

Autotrófica

ou

Heterotrófica

Autotrófica ou

Heterotrófica

Heterotrófica

(absorção)

Autotrófica Heterotrófica

(ingestão)

EXEMPLOS Eubactérias Arqueas Protozoários e

Algas

Leveduras,

Mofos,

Bolores e

Cogumelos.

Briófitas

(musgos),

Pteridófitas

(samambaias),

Gimnospermas e

Angiospermas.

Invertebrados

e Cordados

* Nutrição

Nutrição autotrófica: o organismo produz seu próprio alimento a partir de substâncias inorgânicas e de uma

fonte de energia. Os seres autotróficos podem realizar fotossíntese (para a qual a fonte de energia é a luz solar)

ou quimiossíntese (para a qual a fonte de energia é uma reação química exotérmica).

Nutrição heterotrófica: o organismo se alimenta de moléculas orgânicas elaboradas por outros seres vivos por absorção (captação de nutrientes dissolvidos na água), ou ingestão (entrada de partículas de alimentos não dissolvidas).


22

Os microrganismos mostram uma diversidade surpreendente de estrutura e modos de vida.

Alguns são procariontes, como as bactérias; outros eucariontes, como os protozoários, as algas e os

fungos. Os aeróbios crescem se houver oxigênio, os anaeróbios se não o houver. Formas livres

colonizam todos os ambientes terrestres, desde o cume das montanhas até as profundidades dos

oceanos. Mas há também parasitas que crescem à custa de outros seres vivos, onde encontram

abrigo e alimento, e os que mostram diversos graus de dependência de outros seres vivos.

Os autótrofos sintetizam seus alimentos a partir de dióxido de carbono; os fotossintéticos

utilizam a luz como fonte de energia e os quimiossintéticos, algumas reações químicas inorgânicas.

Os heterótrofos dependem das moléculas orgânicas elaboradas pelos autótrofos, que absorvem ou

ingerem.

O fato de mantê-los agrupados sob a denominação de “microrganismos” talvez obedeça menos

a uma questão de semelhança que a razões práticas; já que os mesmos métodos básicos de estudo

(isolamento, cultura in vitro, identificação) podem ser aplicados, com pequenas variações, a esses

grupos.

AS EUBACTÉRIAS

As eubactérias ou bactérias são organismos unicelulares procarióticos em que uma parede celular

pode cumprir uma função protetora. Além do DNA cromossômico, podem apresentar moléculas

circulares extras de DNA denominadas plasmídeos.

Em condições favoráveis de umidade, acidez e temperatura, as bactérias se multiplicam

rapidamente por fissão celular produzindo milhões de células em poucas horas (Figura 3.1). Em uma

de suas acepções, a palavra clone se aplica às células que derivam de uma única célula. Algumas

espécies bacterianas também mantêm formas de reprodução sexuada, possibilitando a

recombinação do material genético.

As eubactérias formam um grupo com mais de 5.000 espécies conhecidas. Pequenas (0,0005-

0,005 mm) e de formas diversas (esféricas, bastonetes, helicoidais), elas podem ser encontradas

isoladas ou em pares, cadeias ou agregados. Algumas se locomovem livremente, mediante um ou

mais flagelos distribuídos na superfície celular, outras se aderem mediante pelos ou fímbrias a um

organismo hospedeiro. O grupo inclui também as cianobactérias, que serão comentadas mais

adiante junto com as algas.

Em condições desfavoráveis, algumas bactérias formam esporos que resistem em forma latente

até que a situação mude, germinando e retomando sua atividade fisiológica. Um exemplo

interessante, na Europa do século XIX, é o da existência de “campos malditos”, campos em que as

ovelhas não deviam transitar, devido ao alto risco de contrair o carbúnculo ou antraz. De fato, os

bacilos presentes nos animais vitimados pela doença e enterrados nesses campos formavam esporos

que, trazidos à superfície pelas minhocas, contaminavam as pastagens.

Uma técnica laboratorial (coloração de Gram) permite diferenciar as bactérias pela estrutura da

parede celular. Entre as Gram-positivas, cuja parede celular é mais simples, encontramos gêneros

como Clostridium, Bacillus, Mycobacterium (com algumas espécies que causam a tuberculose e a

lepra) e os Actinomicetes, como Streptomyces, produtora de antibióticos como a estreptomicina.

Entre as Gram-negativas, encontramos os micoplasmas, Escherichia coli, uma colonizadora do

trato digestivo de muitos organismos, Salmonella, um agente de muitas intoxicações alimentares, as

cianobactérias fotossintéticas, os espiroquetas (Treponema pallidum e Borrelia burgdorferi,

causantes da sífilis e da doença de Lyme, respectivamente) e as clamídias (responsáveis por tracoma

e uretrites).

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 3: Os microrganismos

23

Estima-se que as bactérias sejam responsáveis por aproximadamente metade das doenças

humanas. As Gram-negativas resultam mais difíceis de tratar que as Gram-positivas, devido a uma

camada adicional na parede celular que as protege e dificulta a entrada de antibióticos. Assim como

o homem, os animais e as plantas também são afetados por patógenos bacterianos. O dano decorre

da invasão dos tecidos do hospedeiro ou da liberação de substâncias tóxicas (exo e endotoxinas).

Mas nem todas são patogênicas.

A participação das bactérias na reciclagem dos elementos é fundamental do ponto de vista

ecológico, possibilitando o tratamento de resíduos e de águas servidas e, também, a eliminação de

compostos recalcitrantes (biorremediação) e a extração de minérios (biolixívia). Por outro lado, a

fixação de nitrogênio e a produção de toxinas pesticidas contribuem para melhorar as práticas

agrícolas.

Devido a suas propriedades metabólicas, muitas eubactérias são utilizadas na produção de

alimentos (laticínios, vinagre, picles e azeitonas) e de aditivos (vitaminas, aminoácidos, gomas

emulsificantes e estabilizantes), na indústria química (acetona, butanol e plásticos biodegradáveis) e

na indústria farmacêutica (vacinas, toxinas e antibióticos). Também se utilizam na produção de

enzimas para uso industrial e médico (Tabela 3.2).

AS ARQUEAS

As arqueobactérias, ou arqueas, diferem das eubactérias pela estrutura da parede celular e, também,

por alguns aspectos metabólicos relacionados com a síntese de proteínas que as aproximam dos

eucariontes. Algumas vivem em habitats inóspitos, como as solfataras dos vulcões ou gêiseres, a

temperaturas superiores a 60-800C (Islândia, Costa Rica). Outras prosperam em lagos onde a

concentração salina é altíssima, como o Grande Lago Salgado (Estados Unidos) ou o Mar Morto

(Israel). Entre as arqueas existem também gêneros com vias metabólicas peculiares que as tornam

dependentes de enxofre ou produtoras de metano. Devido a estas propriedades, nos últimos anos

tem-se acelerado a prospecção de arqueas com propriedades potencialmente interessantes, para

serem utilizadas em processos industriais que exijam condições ambientais extremas. No entanto,

estudos recentes de ecologia molecular mostram que as arqueas não se limitam a ambientes

extremos, sendo sua diversidade bem maior do imaginado previamente.

FIGURA 3.1. Bactérias e clones.

Por divisão binária de uma bactéria gera-se um clone de bactérias semelhantes


24

TABELA 3.2. As bactérias (Eubactérias e Arqueas) como agentes biológicos.

AGENTES BIOLÓGICOS APLICAÇÕES

Bactérias

Tratamento de resíduos e de águas servidas.

Produção de energia (metano).

Biorremediação, extração de minério.

Indústria química (acetona, butanol, ácido láctico, ácido acético).

Enzimas industriais.

Agricultura (rizóbios, biopesticidas).

Alimentos (laticínios, vinagres, picles, azeitonas, silagem).

Indústria de alimentos (vitaminas B12 e β-caroteno, aminoácidos lisina e ácido glutâmico; polissacarídeos xantana e dextrana*).

Indústria farmacêutica (enzimas de uso médico, antibióticos, vacinas e toxinas).

(*) A dextrana também tem usos médicos

TABELA 3.3. As algas como agentes biológicos.


Algas

Biomassa

Tratamento de efluentes, biomonitoramento de poluição, obtenção de energia.

Agricultura (adubo).

Produção de alimentos (alimentação humana, ração para avicultura e aquicultura).

Moléculas

Indústria de alimentos (aditivos, complementos nutricionais, substitutos proteicos, espessantes e emulsionantes).

Indústria de cosméticos (ácidos graxos e outras substâncias tais como ficocoloides, pigmentos, glicerol, abrasivos finos etc.).

Indústria farmacêutica (compostos biologicamente ativos, tais como toxinas, antibióticos, antivirais e antitumorais).

TABELA 3.4. Os fungos como agentes biológicos.


Fungos

Agricultura (controle biológico de insetos e nematoides, micorrizos).

Produtos de fermentação (etanol, glicerol, ácido cítrico).

Enzimas industriais.

Biomassa (fermento de padaria, micoproteína).

Indústria de alimentos (panificação, queijaria).

Indústria de bebidas (cervejas e vinhos, destilados).

Produtos metabólicos (extrato de levedura, hormônios de crescimento vegetal).

Indústria farmacêutica (antibióticos, vitaminas, vacinas, esteroides).


25

OS PROTISTAS

Os Protozoários se classificam no reino Protista, um grupo mal definido de seres eucarióticos

unicelulares ou pluricelulares, autótrofos ou heterótrofos, de reprodução sexuada ou assexuada.

Trata-se de organismos unicelulares heterotróficos, cujo tamanho varia entre 0,002 e 1mm.

Alguns vivem livres em ambientes marinhos, de água doce, ou simplesmente muito úmidos.

Outros parasitam outras espécies, nas quais causam doenças: Giárdia, Amoeba, Trichomonas,

Plasmodium, Toxoplasma, Leischmania etc. De importância fundamental para o ser humano do

ponto de vista médico, sua caracterização molecular pode dar origem a testes diagnósticos e vacinas.

Classificadas junto com os protozoários no reino Protista, as algas são organismos uni ou

pluricelulares, autotróficos e aquáticos. Situadas na base das cadeias alimentícias aquáticas, as algas

cumprem um papel fundamental na biosfera por serem capazes de fixar gás carbônico e produzir

oxigênio. Algumas participam na formação de solos e na fixação de nitrogênio.

Apesar de não ter órgãos diferenciados, as macroalgas marinhas (algas pardas, algas vermelhas

e parte das algas verdes) formam filamentos e talos que podem chegar a medir mais de trinta

metros. São utilizadas como adubo e, também, na alimentação humana (Porphyra ou nori e

Laminaria, como o kombu, no Oriente; cochayuyo no Chile). Devido a sua capacidade de formar géis

e emulsões, os ficocoloides extraídos dessas algas (agar, carragenina, alginato) são empregados em

análises clínicas (preparação de meios de cultivo para cultivo de bactérias e fungos) e em várias

indústrias, tais como a alimentícia (sorvetes, cremes, geleias etc.), a farmacêutica (laxantes, cápsulas

de remédios) e a cosmética (cremes, sabonetes, xampus, dentifrícios etc).

As microalgas representam um grupo extremamente diversificado de umas 25.000 espécies das

quais só um pequeno grupo está bem estudado. Este compreende aproximadamente cinquenta

espécies de microrganismos fotossintéticos, tanto eucariontes (diatomáceas, dinoflagelados,

euglenoides e outras algas verdes) como procariontes (cianobactérias, antigamente algas azul-

esverdeadas).

A proliferação de microalgas como florações na natureza (marés vermelhas) ou em

reservatórios, geralmente devido à eutrofização das águas, causa a morte de outros organismos,

sendo muito perigosa se estiver acompanhada pela liberação de toxinas. Porém, em alguns sistemas

de tratamento de efluentes as microalgas são incorporadas nos tanques para remover nutrientes

inorgânicos e adicionar oxigênio. Também são usadas como indicadores de poluição.

O metano é um gás combustível que resulta da degradação de biomassa de algas por

microrganismos anaeróbios. Por outro lado, a produção de hidrogênio por algas representa uma

alternativa energética promissora.

As microalgas são aproveitadas na alimentação animal como ração para a avicultura e a

aquicultura. Algumas das substâncias que elas sintetizam são incluídas na alimentação humana como

complementos nutricionais e substitutos proteicos; trata-se de aminoácidos, ácidos graxos e

vitaminas (B12, -caroteno ou provitamina A). Também são utilizadas na formulação de cosméticos e

na indústria farmacêutica (Tabela 3.3).

OS FUNGOS

O Reino Fungi comporta mais de 100.000 espécies. Os fungos são organismos eucarióticos, uni ou

pluricelulares, com uma parede celular formada por quitina. Todos eles são heterótrofos e podem se

reproduzir sexuada ou assexuadamente.

As leveduras são fungos unicelulares que se desenvolvem em lugares úmidos e se reproduzem

por brotamento.


26

Pertence a esse grupo um dos microrganismos de maior importância econômica:

Saccharomyces cerevisiae, o popular levedo de cerveja (ou, simplesmente, levedura) utilizado

tradicionalmente na preparação de alimentos e de bebidas, assim como na produção de etanol,

vitaminas e outros metabólitos.

Transformada mediante técnicas de engenharia genética, esta levedura produz uma vacina

contra a hepatite B (Tabela 3.4). Entretanto, nem todas as leveduras são benéficas; Candida albicans,

um microrganismo oportunista da flora normal humana pode, em certas condições, proliferar de

maneira anormal, tornando-se patogênica.

Nos bolores e mofos, as células formam um emaranhado de filamentos ou hifas, denominado

micélio. Os mofos crescem rapidamente por fragmentação do micélio e se disseminam mediante

esporos; como Aspergillus niger, um produtor de ácido cítrico; ou como Rhizopus, o fungo preto do

pão, que se expande sobre a superfície deste apesar dos conservantes acrescentados; ou ainda como

Aspergillus flavus, um bolor que ataca as sementes de leguminosas (amendoim, feijão, soja) e produz

uma toxina poderosa, a aflatoxina, causando graves intoxicações.

Neste grupo também se encontra o Penicillium, um gênero que conta com diversas espécies,

uma das quais é utilizada na indústria farmacêutica, para a produção de penicilina, e outras na

indústria de alimentos, para a maturação de queijos como o Roquefort, o Gorgonzola e o

Camembert.

Os cogumelos são os corpos reprodutivos de muitos fungos. Alguns são venenosos (Ammanita),

outros produzem substância alucinógena, tais como a psilobicina, utilizada por grupos nativos

mexicanos em rituais religiosos, ou a ergotamina, sintetizada quimicamente no século XX com o

nome de LSD (ácido lisérgico). Mas também os há comestíveis como o Agaricus ou champignon, o

Shiitake e o Pleurotus, que são cultivados e comercializados pelo homem.

Em termos ambientais, um quarto da colheita de frutas e vegetais é destruído pelos fungos;

pragas como a ferrugem do café, o esporão do centeio e a vassoura-de-bruxa afetam gravemente a

agricultura. Na Irlanda no século XIX, o Phytophtora infestans atacou a batata, destruindo a fonte

básica de alimentação; a praga causou um milhão de mortes e a emigração forçada de boa parte da

população.

Os liquens resultam da simbiose entre um fungo e uma alga. Alguns são comestíveis, supondo-

se que a Lecanora esculenta seja o maná referido na Bíblia. O grupo não tem sido muito explorado

economicamente, apesar de ter encontrado aplicações como corantes (tintura de tornassol, um

indicador de pH), no tingimento de tecidos e como fixadores na indústria de perfumes. Também são

indicadores de poluição (biomonitoramento).

Em contrapartida, outra associação, desta vez entre um fungo filamentoso e as raízes das

plantas vasculares, os micorrizos, ocupam um lugar de destaque na agricultura em solos tropicais por

facilitarem a solubilização dos fosfatos.

OS VÍRUS, NA FRONTEIRA DO VIVO E DO NÃO VIVO

Os vírus são partículas inertes sem nenhuma atividade metabólica, no limite entre o “vivo” e o “não

vivo”. Os menores medem 20 nanômetros (1nm = 10-4 mm). Podem atravessar filtros extremamente

finos e cristalizar. Sua estrutura é muito simples: um ácido nucleico (DNA ou RNA, como filamento

simples ou duplo) dentro de uma capa proteica ou capsídeo. Muitos possuem enzimas que serão

liberadas dentro da célula hospedeira (Figura 3.2)

Como parasitas obrigatórios de bactérias, plantas ou animais, ao infetar uma célula viva passam

a utilizá-la para sua própria reprodução. Alguns se integram no genoma da célula infetada

(bacteriófagos, retrovírus). Devido a esta propriedade, os vírus têm sido utilizados como vetores para

introduzir genes em uma célula hospedeira (Figura 3.3).


27

Várias doenças humanas são causadas por vírus, tais como o poliovírus, o HIV, o coronavírus

responsável pela SAR (síndrome aguda respiratória) etc. Ao infectar as células animais normais,

alguns vírus as transformam em células cancerosas.

Os vírus que infectam insetos podem ser utilizados no controle de pragas. Na luta contra a

lagarta da soja, o Baculovírus evita a aplicação de 1,2 milhão de litros de inseticidas por ano nas

lavouras brasileiras.

FIGURA 3.2. Alguns tipos de vírus.

Os adenovírus e o HIV parasitam

células humanas; o bacteriófago, bactérias.

HIV Adenovírus Bacteriófago

FIGURA 3.3. A multiplicação de um bacteriófago.

A infecção da bactéria pelo bacteriófago destrói a célula (ciclo lítico). Em alguns casos, o DNA viral se integra no

cromossomo sendo transmitido às células filhas; em determinadas condições o vírus retoma sua atividade,

reiniciando o ciclo lítico.


28

AS TÉCNICAS MICROBIOLÓGICAS

Diversos tipos de técnicas, muitas das quais datam do século XIX, facilitam o trabalho laboratorial. A

identificação de um microrganismo demanda a observação microscópica e a utilização de alguns

métodos específicos de coloração, complementados por testes bioquímicos e eventualmente

genéticos e imunológicos. Encontrar e manter um microrganismo no laboratório demanda a

aplicação de técnicas bacteriológicas aplicáveis também, com algumas variações, a fungos e algas.

Cultivar microrganismos exige, além do desenho de um meio nutriente que satisfaça suas

necessidades metabólicas, um cuidado especial com as condições de temperatura e iluminação em

que este será incubado. Os meios nutrientes se empregam líquidos ou solidificados com ágar, uma

substância que lhes confere uma consistência gelatinosa. Os recipientes mais comuns são tubos de

ensaio e placas circulares de vidro com tampa (Placas de Petri); e, para inocular os meios, se utilizam

alças de platina e pipetas de diferentes tipos.

A grande dificuldade do laboratório microbiológico está em conseguir a multiplicação do

microrganismo desejado evitando as contaminações, isto é a multiplicação de outros

microrganismos.

Trabalha-se em condições assépticas, o que demanda a esterilização prévia do material de

vidro, dos meios nutrientes e dos instrumentos (alças, pipetas) que serão utilizados. E na

transferência do material biológico, evita-se cuidadosamente toda contaminação com os

microrganismos do ar. Equipamentos especialmente desenhados para trabalhar sob um fluxo de ar

esterilizado ajudam o profissional. Também se evitam as contaminações na hora de eliminar o

material utilizado, a fim de não liberar microrganismos prejudiciais no ambiente.

Os microrganismos são isolados a partir de amostras de solo, água, ar ou fluidos corporais. As

linhagens obtidas se conservam como culturas puras. Microrganismos com características diferentes

são obtidos induzindo mutações e selecionando as linhagens mutantes. Cada laboratório mantém os

estoques microbianos necessários, que também podem ser solicitados a centros especializados

(Coleções de cultura).

O número de microrganismos em uma amostra pode ser estimado por diversos métodos:

contagem microscópica, contagem eletrônica, contagem em placa, turvação do meio, massa seca,

conteúdo de nitrogênio ou medidas indiretas da atividade microbiológica.

Em geral, as técnicas clássicas são trabalhosas e muito demoradas para o diagnóstico clínico,

por isso estão sendo substituídas por técnicas miniaturizadas mais rápidas que identificam os

microrganismos com base em algumas reações bioquímicas em kits padronizados. A tendência geral

é de automatização do laboratório microbiológico.

Em outra linha de ação, a partir do início do século XX surge a Microbiologia Ambiental,

trazendo uma nova visão em relação às populações microbianas presentes na natureza. No entanto,

nossa ignorância em relação aos microrganismos ainda é enorme. O número de espécies que

conseguimos cultivar no laboratório não representa ainda mais do que 1 a 5 % da totalidade

existente; dependemos dos avanços na área da genômica para ampliar nosso conhecimento das

comunidades microbianas do ambiente.

BIOSSEGURANÇA E BIOSSEGURIDADE

De acordo com a Organização Mundial da Saúde, o termo biossegurança abrange os princípios,

técnicas e práticas necessárias para evitar a exposição acidental a patógenos e toxinas assim como

sua liberação acidental (Figura 3.4).


29

Os microrganismos são classificados segundo o risco de causarem danos aos profissionais que

trabalham com eles e à coletividade. Os critérios são: a patogenicidade para o homem, a virulência, o

modo de transmissão, a endemicidade e a existência ou não de uma terapêutica eficaz. Definem-se

assim quatro grupos de risco:

Grupo 1: Baixo risco individual e coletivo. Microrganismos que nunca foram descritos como agentes

causadores de doenças para o homem e que não constituem risco para o meio ambiente. Exemplos:

Bacillus cereus, Bacillus subtilis, Escherichia coli (algumas linhagens), Lactobacillus sp.

Grupo 2: Risco individual moderado, risco coletivo limitado. Microrganismos que podem causar

doenças no homem, com pouca probabilidade de alto risco para os profissionais do laboratório.

Exemplos: Salmonella, Toxoplasma, Schistosoma mansoni, Streptococcus sp, vírus da rubéola, vírus

do sarampo e vírus da hepatite B.

Grupo 3: Risco individual elevado, risco coletivo baixo. Microrganismos que podem causar doenças

graves aos profissionais do laboratório. Exemplos: Mycobacterium tuberculosis, Bacillus anthracis e

vírus da imunodeficiência humana (HIV).

Grupo 4: Sério risco para os profissionais do laboratório e para a coletividade. Microrganismos que

causam doenças graves para o homem. Exemplos: vírus Ebola, vírus Lassa e vírus Marburg.

A cada grupo de microrganismos correspondem normas estritas de trabalho, que abrangem desde a

arquitetura do laboratório e as características dos equipamentos até as precauções que devem ser

tomadas pelos profissionais e a forma em que o lixo será descartado.

O conceito de biossegurança se complementa com o de biosseguridade, isto é, o conjunto de

medidas de proteção de uma instituição e dos trabalhadores necessárias para evitar a perda, o

roubo, o uso incorreto ou a liberação intencional de patógenos e toxinas (bioterrorismo).

FIGURA 3.4. Alguns logotipos utilizados como indicação de risco biológico.

Biossegurança

Biosseguridade


30

OS MICRORGANISMOS COMO AGENTES BIOLÓGICOS

Encontra-se na Tabela 3.5 uma lista dos principais os agentes biológicos microbianos e suas

utilizações.

TABELA 3.5. Principais destaques entre os agentes biológicos microbianos.

ALGAS UTILIZAÇÃO

Spirulina O seu alto teor proteico, que corresponde a 60% do peso seco, lhe confere um

elevado valor nutritivo; as proteínas representam aproximadamente 2% do

peso seco da batata e 6-10% do trigo. Quando da chegada dos espanhóis, os

astecas já preparavam umas bolachas (tecuitlatl) com a Spirulina coletada no

lago Texcoco. Na África, no lago Tchad, ainda hoje ela é coletada e consumida

como alimento. Spirulina, assim como Chlorella, são vendidas em tabletes

como complemento nutritivo.

Dunaliella Acumula glicerol em condições de alta salinidade, com o qual consegue evitar a

desidratação. Pode crescer no Mar Morto, sendo também cultivada em

tanques ou lagoas, perto do Mar Vermelho, para a extração de outros produtos

metabólicos (glicerol e -caroteno).

FUNGOS UTILIZAÇÃO

Saccharomyces cerevisiae Conhecido como levedo de cerveja ou levedura, é utilizado na preparação de

alimentos (pão, biscoitos, fermento de padaria) e de bebidas (cerveja, vinho e

destilados), assim como na produção de outras substâncias de importância

industrial (etanol, vitaminas e outros metabólitos). A levedura cresce

facilmente em laboratório. Também pode ser manipulada geneticamente. Nos

fermentadores ou biorreatores industriais onde se multiplica rapidamente

apartir de matérias-primas de baixo custo, ela permanece ativa durante

períodos longos e, ao concluir o processo, pode ser separada por filtração ou

centrifugação. Com 12.000.000 de pares de bases e 6.000 genes em 16

cromossomos, Saccharomyces cerevisiae foi, em 1997, o primeiro organismo

eucariótico a ter o seu genoma sequenciado. Aspergillus Algumas espécies alcançam grande importância industrial, como A.niger,

utilizada para a produção de ácido cítrico ou de enzimas (em linhagens

modificadas geneticamente).

Penicillium Algumas espécies são utilizadas na indústria farmacêutica (penicilina) ou

indústria de alimentos (queijos azuis, como o Roquefort e o Gorgonzola; queijo

Camembert).

ARQUEOBACTÉRIAS UTILIZAÇÃO

Thermus aquaticus Isolada em uma poça do parque nacional de Yellowstone (Estados Unidos), esta

bactéria produz uma enzima que copia o DNA a uma temperatura alta. Esta

enzima permite obter milhões de cópias de um fragmento de DNA em um

processo automatizado que revolucionou a Biotecnologia, chamado PCR

(Polymerase Chain Reaction ou Reação em cadeia da polimerase).

Bactérias metanogênicas Vivem em lugares onde há ausência de oxigênio, seja no tubo digestivo de

alguns animais (gado, cupins) ou nos pântanos. Estas bactérias transformam o

acetato resultante da degradação de celulose por outras bactérias em metano,

um gás combustível.


31

EUBACTÉRIAS UTILIZAÇÃO

Bactérias lácticas Os gêneros Lactobacillus e Streptococcus são responsáveis por vários

processos, tais como a elaboração de queijos e de iogurtes, o envelhecimento

dos vinhos, a conservação de alimentos (sauerkraut ou repolho fermentado,

silagem para o gado); a produção de ácido láctico, um aditivo utilizado na

indústria de alimentos como acidulante e estabilizante.

Bacillus thuringiensis Este microrganismo prolifera no solo e na superfície das plantas, sintetizando

uma toxina fatal para as larvas de insetos. Esta é produzida comercialmente há

mais de 40 anos, representando 90% das vendas de inseticidas biológicos e

reduzindo a necessidade de aplicação de pesticidas químicos nas lavouras. Nos

últimos anos, o gene codificador da toxina tem sido transferido a plantas

(algodão, milho) para que estas sintetizem diretamente o inseticida.

Streptomyces Além do cheiro característico da terra removida, este gênero de bactérias do

solo produz substâncias antibióticas (estreptomicina, tetraciclina, eritromicina),

antifúngicas (nistatina), herbicidas, antitumorais e supressoras de rejeição a

transplantes.

Pseudomonas Várias linhagens se utilizam na eliminação de poluentes. Algumas quebram

moléculas de hidrocarbonetos, como os existentes nos acidentes de

derramamento de petróleo; outras podem remover o mercúrio aquático.

Agrobacterium tumefaciens Agente patogênico para as plantas dicotiledôneas que desenvolvem um tumor

ou galha quando infetadas. Com a remoção de um gene, perde a capacidade de

provocar tumores, conservando a capacidade infecciosa, utilizada na

engenharia genética de vegetais.

Bactérias butíricas Na indústria têxtil, Clostridium butiricum libera as fibras vegetais durante a

maceração do cânhamo e do linho. Clostridium acetobutyricum é utilizado na

produção industrial de acetona e butanol. Clostridium botulinum produz uma

toxina poderosíssima; calcula-se que um grama desta bastaria para matar um

milhão de pessoas. A ingestão de conservas contaminadas e mal esterilizadas

resulta quase sempre em um desfecho fatal. Devido a sua ação inibitória da

contração muscular, a toxina botulínica é utilizada em concentrações muito

pequenas, para reduzir as rugas e marcas de expressão durante certo tempo

(efeito cosmético).

Escherichia coli Descoberta em 1855, esta bactéria Gram-negativa vive no trato digestivo do

homem e de outros animais. Tem forma de bastonete (0,002 mm de

comprimento, 0,0008 mm de diâmetro), 1 a 4 moléculas de DNA e 15.000 a

30.000 ribossomos. Flagelos e pelos permitem que se movimente rapidamente.

Algumas linhagens são patogênicas, podendo contaminar os alimentos (carne,

leite, vegetais) que devem ser cozidos adequadamente. Os seus requerimentos

nutricionais básicos são simples. água, sais minerais, uma fonte de nitrogênio e

uma fonte de energia. Em condições adequadas, se divide a cada 20-40

minutos; também pode se reproduzir de maneira sexuada (conjugação).

Devido à facilidade com que ela pode ser cultivada no laboratório, Escherichia

coli tem se tornado uma ferramenta indispensável para estudos bioquímicos e

genéticos, incluindo a Engenharia Genética. O seu genoma compreende 4,6

milhões de pares de bases que codificam em torno de 4.000 proteínas

diferentes.

A introdução de transgenes em Escherichia coli K12, uma linhagem inofensiva

de laboratório, possibilitou os primeiros processos de produção de insulina, de

interferon e de hormônio de crescimento. Entretanto, por se tratar de uma

célula procariótica, nem sempre é a melhor opção de "fábrica" para a síntese

de produtos de origem animal ou vegetal, tendo sido aos poucos substituída

por outras células eucarióticas, como a levedura.


32

4. AS ENZIMAS E OS ANTICORPOS



AS PROTEÍNAS

Todos os organismos estão formados por água e moléculas de diversos tipos, inorgânicas e orgânicas

(Figura 4.1). Entre estas últimas, se encontra um grupo de macromoléculas, as proteínas, que

participam em numerosas atividades, cumprindo um papel fundamental para os seres vivos (Tabela

4.1). Pertencem a este grupo as enzimas, moléculas de ação catalítica, e os anticorpos, moléculas

que participam na defesa do organismo.

ESTRUTURA

As proteínas são macromoléculas formadas por 20 aminoácidos diferentes. Estes se caracterizam por

ter, unidos ao átomo de carbono, um grupo amino (básico), um grupo carboxila (ácido) e um radical

variável (Figura 4.2 A). A presença de um carbono assimétrico resulta em duas formas moleculares

(L) e (D) que diferem por suas propriedades ópticas. Os aminoácidos que compõem as proteínas

correspondem à forma (L).

A reação de condensação entre o grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amina de outro

cria uma ligação peptídica (Figura 4.2 B). A união de vários aminoácidos forma uma cadeia peptídica

que se caracteriza não só pelo número e tipo de aminoácidos que a compõem, como pela sequência

em que estes se encontram, denominada estrutura primária.

Ao se estabelecerem ligações entre os grupos que formam os enlaces peptídicos, a cadeia adota

uma estrutura regular ou estrutura secundária, geralmente em forma de hélice ou de folha. As

interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos causam o dobramento da proteína, resultando

uma configuração espacial que é chamada de estrutura terciária. A forma final de uma proteína

dependerá ainda da associação entre vários polipeptídios, no que se denomina de estrutura

quaternária (Figura 4.2 C).

Quando sintetizada dentro da célula, uma proteína adotará espontaneamente a configuração

espacial que decorre de sua estrutura primária. Entretanto, fatores ambientais como o pH, a

concentração salina ou a temperatura podem causar alterações momentâneas ou definitivas na

forma da molécula.

TABELA 4.1. As funções das proteínas no organismo.

FUNÇÃO EXEMPLOS

Componentes estruturais Queratina do cabelo, colágeno da derme, actina e miosina das fibras musculares.

Substâncias de reserva Albumina do ovo, caseína do leite.

Ação catalítica Enzimas que controlam as reações químicas celulares.

Outras Transmissão de informação (hormônios proteicos), participação nos mecanismos

de defesa (anticorpos, citocinas), transporte e armazenamento de pequenas

moléculas (hemoglobina).


34

FIGURA 4.1. A composição química de uma bactéria.

FIGURA 4.2. Aminoácidos e proteínas.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 4: As enzimas e os anticorpos

35

AS BASES DE ALGUMAS TÉCNICAS LABORATORIAIS

Cromatografia

Esta técnica permite separar as substâncias de uma mistura com fins analíticos e preparativos. Está

baseada na migração diferencial das moléculas de uma mistura, colocada em uma fase móvel, sobre

um suporte estacionário ou matriz (Figura 4.3).

Em função das características da fase estacionária, distinguem-se diferentes modalidades:

cromatografia em papel, em camada delgada, cromatografia em gás, cromatografia líquida etc. Na

cromatografia em coluna, por exemplo, a separação das proteínas de uma mistura depende da

estrutura da matriz, sólida e permeável, que se encontra imersa em um solvente.

A separação obedece a três tipos de mecanismos:

o Troca iônica. A matriz está formada por pequenas partículas carregadas que retêm as moléculas de

carga contrária. Como a associação depende de fatores como o pH e a força iônica da solução, a

modificação destes fatores permite controlar a separação.

o Filtração em gel. A matriz consiste em partículas porosas que separam as proteínas em função de

seu tamanho, como uma peneira molecular.

o Afinidade. As partículas da matriz estão unidas por ligações covalentes a moléculas (enzimas,

anticorpos) que interagem com a proteína de interesse. Para liberar a proteína retida na coluna,

muda-se o pH ou a concentração salina. Desse modo se consegue a proteína purificada.

Eletroforese

Moléculas ionizadas colocadas em um campo elétrico migram de acordo com suas cargas e pesos

moleculares. Se a carga for positiva, elas migrarão para o pólo negativo ou cátodo e, inversamente,

se ela for negativa, a migração ocorrerá na direção do pólo positivo ou ânodo. Este é o fundamento

de outra técnica analítica, a eletroforese (Figura 4.4).

Se uma mistura de peptídeos for colocada em um campo elétrico, eles migrarão de acordo com

sua carga, forma e tamanho, formando cada um deles uma banda característica que será visualizada

mediante um corante ou uma reação química específica. Observe-se que a carga de um peptídeo

resulta da soma das cargas correspondentes aos grupos amina e carboxila terminais e dos radicais

dos aminoácidos que o compõem, e que essa carga varia com o pH do meio.

A eletroforese permite separar os componentes de uma mistura. Existem numerosas variações

da técnica em função do suporte (papel de filtro, sílica-gel, membranas de acetato de celulose, gel de

agarose, amido ou poliacrilamida), da disposição da cuba (horizontal ou vertical), da direção da

migração (unidirecional ou bidirecional) etc.

Espectrometria de massa

Esta técnica analítica mede a massa molecular a partir da razão entre a massa e a carga de moléculas

ionizadas, medida que permite a identificação de uma substância. Com a descoberta de métodos de

ionização adaptados às moléculas biológicas como o MALDI (do inglês, Matrix Assisted Laser

Desorption/Ionization), a espectrometria de massa se tornou nos últimos anos uma ferramenta

indispensável na identificação de proteínas, açúcares, ácidos nucleicos, lipídios e outros compostos

orgânicos.


36

Aplicada às proteínas, a espectrometria de massa identifica a molécula por comparação com

outras de um banco de dados. Também fornece uma análise estrutural da molécula indicando a

sequência de aminoácidos. Com esta técnica é possível estudar o conjunto de proteínas de um

organismo (proteoma) e dissecar as interações das proteínas com outras moléculas. Por ser um

método automatizado e rápido, tem alcançado múltiplas aplicações em farmacologia e diagnóstico.

FIGURA 4.3. Cromatografia em coluna.

O processo está baseado na velocidade de migração diferencial das moléculas proteicas em uma matriz imersa

em um solvente.

FIGURA 4.4. Eletroforese.

Separação dos peptídeos de uma mistura, por migração diferencial em um campo elétrico.


37

AS ENZIMAS

A CATÁLISE ENZIMÁTICA

As reações químicas que ocorrem nos seres vivos dependem da atividade catalítica das enzimas.

Estas moléculas agem diminuindo a energia de ativação necessária de uma reação química, sendo

capazes de promovê-las e acelerá-las, sem ser alteradas ou destruídas.

A molécula de enzima reconhece um substrato específico (S), formando com ele um complexo

molecular ou estado de transição (SE). O encaixe no sítio ativo da molécula facilita a transformação

do substrato no(s) produto(s) da reação (P). A enzima é recuperada no fim da reação, podendo atuar

inúmeras vezes (Figura 4.5).

A reação pode ser representada como a seguir:

A primeira característica das enzimas é a especificidade; uma enzima como a lactase, que opera

sobre a lactose, não agirá sobre a sacarose; duas enzimas que hidrolisem o amido poderão fazê-lo

cortando a molécula de maneira diferente, como a -amilase e a -amilase. A segunda é que, em

função de sua origem biológica, as enzimas são biodegradáveis e agem em condições brandas de

temperatura e pH.

A ação enzimática depende do pH, da temperatura, da presença de cofatores inorgânicos (zinco,

ferro, cobre) e/ou orgânicos (coenzimas, muitas das quais são vitaminas). Os metais pesados alteram

a estrutura molecular da enzima de maneira irreversível impedindo sua ação catalítica

(desnaturação).

Uma inibição da atividade enzimática ocorre quando moléculas muito parecidas com o

substrato competem com este para ocupar o sítio ativo da enzima (inibição competitiva). Ou quando

outras moléculas se ligam a determinadas partes da enzima, alterando a estrutura espacial e

dificultando o encaixe com o substrato (inibição não competitiva).

FIGURA 4.5. O mecanismo da atividade enzimática (Modelo chave-fechadura).

A atividade enzimática não modifica o equilíbrio da reação.

S + E SE P + E


38

OS DIVERSOS TIPOS DE ENZIMAS

Uma forma de classificar as enzimas é pelo tipo de reação que catalisam, acrescentando o sufixo

“ase” ao nome do substrato que é transformado: protease, lactase, amilase, lipase, celulase.

Também se pode adicionar “ase” ao nome da reação catalisada: hidrolase, oxirredutase. Quando

combinadas as duas regras anteriores, se mencionam o nome do substrato e da reação catalisada

adicionando ”ase” como, por exemplo, em DNA-polimerase. Porém, algumas enzimas, como a renina

ou a trombina, conservam seus nomes tradicionais (Tabela 4.2).

TABELA 4.2. A classificação internacional das enzimas.

CLASSE TIPO DE REAÇÃO CATALISADA EXEMPLOS

Oxirredutases Reações onde se transferem elétrons. Desidrogenases, oxidases.

Transferases Reações onde se transferem grupos químicos. Transaminases, fosforilases.

Hidrolases Reações de hidrólise, isto é, de transferência de grupos funcionais para a água.

Proteases, carboidrases, peptidases, lipases.

Liases Adição de grupos a duplas ligações ou formação de duplas ligações por eliminação de grupos.

Decarboxilases (renina, trombina).

Isomerases Produção de isômeros por transferência de grupos dentro de moléculas.

Isomerases, mutases.

Ligases Formação de ligações C-C, C-S, C-O e C-N por reações de condensação.

Sintetases.

TABELA 4.3. As enzimas como agente biológico.


ENZIMAS

Indústria de alimentos e bebidas (clarificação de vinhos e sucos de frutas, substituição da maltagem pelo tratamento do amido na elaboração de cervejas, fabricação de pão, biscoitos e bolachas, produção de adoçantes, fabricação de laticínios, suplementação de rações animais).

Produtos de limpeza (detergentes e lava-roupas para a remoção de manchas difíceis, produtos para limpar dentaduras e lentes de contato).

Indústria têxtil (desengomador de tecidos, acabamento de jeans).

Curtumes (amaciamento de couros).

Indústrias de papel e celulose (branqueamento de polpa de celulose).

Cosmética (produtos de higiene bucal, depilatórios, tratamento da acne e da caspa, cosmocêuticos em geral).

Indústria farmacêutica (reagentes para uso em análises clínicas, nucleases para a manipulação gênica).

Tratamentos médicos (combate de inflamações, edemas e lesões; dissolventes de coágulos sanguíneos, agentes terapêuticos em transtornos digestivos).


39

IMPORTÂNCIA ECONÔMICA

As enzimas apresentam numerosas vantagens quando utilizadas como agentes biológicos em

processos tecnológicos: especificidade, operação em condições facilmente controláveis e

biodegradabilidade. De um modo geral, os tratamentos enzimáticos diminuem a carga poluidora dos

efluentes industriais.

Das 25.000 enzimas que, segundo as estimativas, existiriam na natureza, até o momento só foram

classificadas umas 2.800, sendo comercializadas 400. O mercado se distribui fundamentalmente

entre as proteases (59%), as carboidrases (28%) e as lipases (3%), três grandes conjuntos de enzimas

que são utilizadas por diversas indústrias; os 10% restantes do mercado correspondem às enzimas

analíticas e farmacêuticas (Tabela 4.3).

Nos sabões lava-roupas, as enzimas prometem ao consumidor roupas limpas e com aparência de

novas. Um exército constituído por proteases, amilases e lipases digere as manchas difíceis (sangue,

leite, molho de tomate, capim, chocolate, batom etc.), enquanto que as celulases removem as

microfibrilas de celulose das roupas. Não sendo mais necessário esfregar as manchas, a limpeza se

realiza com pouco esforço e sem desgaste do tecido; como estas moléculas trabalham a

temperaturas baixas, o consumo de energia é menor. Com mais uma vantagem para o fabricante: as

enzimas não representam mais que uma fração muito pequena do sabão (0,4-0,8%), correspondente

a 1% do seu custo.

As enzimas são empregadas também no acabamento de roupas. Para conseguir o aspecto usado,

os jeans eram lavados com pedras (stone washed), um processo que tinha o inconveniente de causar

a abrasão da maquinaria e o desgaste do tecido. Nos últimos anos, as pedras foram substituídas por

celulases, com resultados satisfatórios.

Os curtumes, em vez de excrementos de cachorro ou de pombo, se valem hoje de enzimas

pancreáticas para amaciar e desengordurar as peles.

Na indústria de alimentos e bebidas, as enzimas participam na produção de adoçantes, de pão,

biscoitos e bolachas, de queijos. Na extração de sucos de frutas, as pectinases aumentam

substancialmente o rendimento do processo, ao liberar o suco retido na pectina das paredes

celulares vegetais. Também facilitam a clarificação de vinhos e cervejas.

As enzimas entram na composição de vários produtos cosméticos, tais como depilatórios,

desodorantes e artigos para a higiene bucal. Em dermatologia, algumas das aplicações mais

frequentes estão no combate ao envelhecimento e no tratamento de acne e de caspa.

Como medicamentos, as enzimas se utilizam em vários contextos, especialmente em

quimioterapia e nas terapias trombolíticas. E muitos entre os mais corriqueiros testes de diagnóstico

dependem de reagentes enzimáticos. As enzimas permitem a resolução de misturas de moléculas

racêmicas, nas que há duas formas isoméricas, tipo “mão direita” e “mão esquerda”, com diferente

atividade biológica. Desse modo, poderão ser evitados problemas como o da talidomida, um

medicamento que causou o nascimento de numerosos bebês com deformações congênitas, na

década de 1960. A tragédia teria sido consequência da presença no produto comercial da forma

molecular tipo “mão direita”, de ação teratogênica, junto ao tipo “mão esquerda”, de ação calmante.

Atualmente, estão sendo estudados métodos enzimáticos para eliminar os príons responsáveis

pela denominada “doença da vaca louca”. Também se cogita a utilização de enzimas para limpar

áreas contaminadas com agentes químicos como o gás sarin.


40

FIGURA 4.6. A estrutura da molécula de anticorpo (IgG).

FIGURA 4.7. Os anticorpos e o reconhecimento do antígeno.

Observe-se que, ao compartilhar estruturas (determinantes antigênicos ou epítopos), alguns antígenos podem

ser reconhecidos por um mesmo anticorpo, dando origem a uma reação cruzada.

FIGURA 4.8. O encontro do linfócito B e do antígeno, e a seleção clonal.


41

OS ANTICORPOS

Dentro da estratégia de defesa de um organismo, os anticorpos são elementos importantes no

reconhecimento do “eu” e na eliminação do “não eu” (antígeno). Uma parte importante da resposta

imune envolve a produção de anticorpos que reconhecem o antígeno, desencadeano os mecanismos

de destruição adequados.

Em condições experimentais de laboratório, a reação antígeno-anticorpo ocorre quando os

reagentes se encontram em meio líquido e nas concentrações adequadas, sendo visualizada como:

o Uma precipitação, se os antígenos estiverem dissolvidos em um meio líquido ou em um gel

(poliacrilamida).

o Uma aglutinação, se os antígenos estiverem localizados sobre partículas (hemácias ou bactérias).

A MOLÉCULA DE ANTICORPO

A molécula de anticorpo denominada IgG (Imunoglobulina G) é formada por duas cadeias

polipeptídicas leves e duas pesadas em forma de Y, ao qual se associa um pequeno número de

grupos carboidrato. Uma parte da molécula é constante; as regiões variáveis localizadas nas

extremidades dos braços do Y respondem pelo reconhecimento do antígeno (Figura 4.6). Este tipo de

anticorpo se encontra no soro sanguíneo, na fração proteica caracterizada por eletroforese como -

globulina.

A UNIÃO ANTÍGENO-ANTICORPO

A união antígeno-anticorpo ocorre quando um anticorpo encontra no antígeno uma forma

complementar, geralmente parte de uma molécula livre ou ancorada na membrana celular. Um

antígeno pode ter várias destas formas (epítopos ou determinantes antigênicos) e ser reconhecido

por anticorpos diferentes (Figura 4.7).

A PRODUÇÃO DE ANTICORPOS NO ORGANISMO

As células responsáveis pela produção de anticorpos são os linfócitos B, que se formam na medula

óssea. Depois de um processo de diferenciação que envolve uma série de rearranjos genéticos, cada

linfócito pode reconhecer um único epítopo (Figura 4.8).

Ao encontrar o epítopo específico, o linfócito B prolifera, originando um clone de células

secretoras de anticorpos. Uma vez eliminado o antígeno, algumas células desse clone permanecerão

no organismo como células-memória. Em um contato posterior com o mesmo epítopo, as células-

memória darão início à resposta imune, que será mais rápida e mais intensa que a primeira.

Apesar de cada linfócito ser capaz de reconhecer um único epítopo, todos os linfócitos podem

reconhecer aproximadamente 108 epítopos diferentes, o que explica a eficiência da resposta imune.


42

FIGURA 4.9. A produção de anticorpos no laboratório.

A: A produção de anticorpos policlonais. Recolhe-se o soro de um animal imunizado contra uma mistura de moléculas entre as quais está a molécula X. No soro se encontrarão misturados anticorpos de diferente especificidade, um dos quais reconhece X.

B: A produção de anticorpos monoclonais. Injeta-se em um rato a mesma mistura de moléculas; dias mais tarde, extrai-se o baço do animal e fusionam-se os linfócitos B (alguns dos quais reconhecem a molécula X) com células de mieloma. Os hibridomas são separados, cultivados e testados para identificar os que produzem anticorpos contra X.


43

FIGURA 4.10. Os ensaios imunológicos.

1. Associação dos anticorpos com moléculas fluorescentes

O anticorpo marcado pode reconhecer diretamente o antígeno (reação direta) ou reconhecer o anticorpo unido ao antígeno (reação indireta).

2. Associação dos anticorpos com enzimas.

O antígeno pode ser reconhecido por um anticorpo associado a uma enzima que reage com o seu substrato, formando um produto colorido (reação direta). Também pode ser reconhecido por um anticorpo específico, e este por um anticorpo que reconhece a fração constante do anticorpo. O segundo anticorpo está associado a uma enzima que, ao reagir com o seu substrato específico, forma um produto colorido (reação indireta).


44

A PRODUÇÃO DE ANTICORPOS NO LABORATÓRIO

Os anticorpos ocupam um lugar de destaque nos testes de diagnóstico clínico, por reunir duas

propriedades que os transformam em uma ferramenta ideal: especificidade e diversidade.

A injeção de animais (ratos, ovelhas, coelhos) com um antígeno induz em pouco tempo a

produção de anticorpos específicos que podem ser separados do soro sanguíneo do animal. Se o

antígeno utilizado possuir vários epítopos, no soro extraído se encontrará uma mistura de

anticorpos, chamados “policlonais”, resultantes da ativação de vários clones de linfócitos B, cada um

dos quais reconhece um dos epítopos do antígeno.

Observe-se que, além dos anticorpos específicos, o soro também terá anticorpos contra

eventuais impurezas do antígeno e anticorpos contra outros antígenos aos que o animal esteve

exposto anteriormente. Em consequência, a purificação de um soro será um processo longo e

complexo a ser repetido a cada extração de sangue do animal. Contudo, reagentes de laboratório

deste tipo foram utilizados normalmente até a década de 1980.

Não é possível cultivar separadamente os linfócitos porque estes sobrevivem pouco tempo in

vitro. A obtenção de clones que sintetizem anticorpos específicos contra um único epítopo, isto é

“monoclonais”, só se tornou possível com o desenvolvimento da tecnologia de hibridomas (Kohler,

Milstein, 1975).

Um hibridoma resulta da fusão entre um linfócito B e uma célula cancerosa de mieloma.

Reunindo as propriedades de ambas as células, cada hibridoma é capaz de sintetizar um único tipo

de anticorpo (monoclonal) e de se multiplicar indefinidamente no laboratório, seja em cultivo de

tecidos, seja na cavidade do peritoneu de um animal hospedeiro (Figura 4.9).

A UTILIZAÇÃO DOS ANTICORPOS

Os anticorpos monoclonais encontraram imediatamente aplicações, substituindo praticamente os

anticorpos policlonais, tanto na purificação de biomoléculas e células como nos testes de diagnóstico

clínico ou ambiental ou no controle de qualidade dos alimentos.

Anticorpos específicos fixados nas partículas de uma coluna de afinidade permitem separar

moléculas de uma mistura que circule por ela. Outra utilização extremamente engenhosa está na

separação de populações celulares em um aparelho denominado cell sorter. As células são marcadas

com anticorpos ligados a uma molécula fluorescente; ao passar através de raios laser, adquirem

cargas elétricas, sendo separadas mediante uma placa defletora do equipamento.

A visualização da reação entre o antígeno e o anticorpo se vê facilitada quando estes últimos

recebem alguma marcação. Em cortes histológicos, o antígeno é localizado pelos anticorpos

acoplados a uma molécula fluorescente que possa ser identificada microscopicamente (Figura 4.10).

Associados a uma molécula radiativa, os anticorpos são utilizados na dosagem de substâncias

presentes nos fluidos corporais, sendo quantificada a radioatividade por exposição de uma placa

sensível.

A obtenção de anticorpos contra a fração constante da molécula de anticorpos humanos

representa um avanço considerável na produção de reagentes para o diagnóstico clínico. Nos ensaios

imunoenzimáticos, utilizam-se estes anticorpos acoplados a uma enzima que reage com o seu

substrato, formando um produto colorido (Figura 4.10).

A utilização de anticorpos monoclonais com fins terapêuticos demorou muito mais que o

esperado. Sendo produzidos por células de camundongo ou de rato, eles são reconhecidos como

estranhos quando injetados no homem, formando-se complexos imunes que lesionam gravemente

os rins.


45

A fim de evitar essas reações, começaram a serem elaborados anticorpos monoclonais

quiméricos (33% de proteína animal) e humanizados (10% de proteína animal). Estes conservam

parte das sequências animais, especialmente nas partes que reconhecem o antígeno, sendo o

restante da molécula substituído por sequências humanas.

Ultimamente, com a obtenção de anticorpos monoclonais humanos mediante técnicas de

engenharia genética, se abriram novos caminhos para o diagnóstico e o tratamento de doenças

(Tabela 4.4).

TABELA 4.4. Os anticorpos como agentes biológicos.


Anticorpos

Purificação de moléculas.

Reagentes de laboratório.

Reagentes para diagnóstico.

Imunoterapias.


46

5. OS ÁCIDOS NUCLEICOS E OS GENES



OS ÁCIDOS NUCLEICOS

Embora descobertos em 1869, por Miescher, no pus das bandagens de ferimentos, o papel dos

ácidos nucleicos na hereditariedade e no controle da atividade celular começou a ser esclarecido

apenas em meados do século XX.

O ácido desoxirribonucleico (DNA) carrega em sua estrutura as instruções necessárias para a

construção de um organismo. Estas direcionam o desenvolvimento de suas características

bioquímicas, fisiológicas, anatômicas e inclusive de algumas das comportamentais.

Nas células procarióticas, uma molécula grande e circular de DNA forma o cromossomo,

havendo também uma ou duas moléculas de DNA extracromossômico, formando estruturas

circulares, denominadas plasmídeos. Nas células eucarióticas, várias moléculas lineares de DNA

associadas a proteínas formam os cromossomos, localizados dentro do núcleo celular. Também há

DNA em algumas organelas, como os cloroplastos e as mitocôndrias. O ácido ribonucleico (RNA) se

encontra no núcleo e no citoplasma celular.

Do ponto de vista químico, os ácidos nucleicos (ácido ribonucleico e desoxirribonucleico) são

macromoléculas formadas a partir de unidades chamadas nucleotídeos (Figura 5.1). Um nucleotídeo

resulta da associação mediante ligações químicas covalentes de três tipos de elementos: uma

molécula de ácido fosfórico, um açúcar de cinco carbonos (pentose: ribose ou desoxirribose) e uma

base cíclica nitrogenada: adenina, citosina, guanina, timina ou uracila. Da união dos nucleotídeos

mediante uniões covalentes entre as extremidades 5' e 3', formam-se cadeias.

A DUPLA HÉLICE

Já na década de 1940, vários trabalhos indicavam claramente que o material responsável pela

hereditariedade era o DNA. Porém, o modo “como” esta molécula poderia assegurar essa função só

começou a se vislumbrar em 1953, quando J. D. Watson e F. Crick formularam um modelo da

estrutura tridimensional do DNA que, segundo suas próprias palavras, poderia ter um “considerável

interesse biológico”.

No modelo de Watson e Crick, duas cadeias de nucleotídeos formam uma figura parecida com

uma escada de corda torcida, a dupla hélice. Nessa escada, o ácido fosfórico e o açúcar são as partes

verticais (corrimãos) e as bases nitrogenadas são os degraus (Figura 5.1). As cadeias são

antiparalelas, isto é, se uma corre na direção 5' 3' a outra corre na direção 3' 5. Ambas as

cadeias estão unidas entre si por pontes de hidrogênio entre as bases, sendo que as ligações ocorrem

sempre entre adenina e timina (2 pontes) e entre citosina e guanina (3 pontes).

De acordo com o modelo, quando em um filamento a sequência de bases é AGTACG, no outro

filamento ela será TCATGC. Como as sequências são complementares, cada filamento pode servir

como molde para a síntese de uma nova molécula. E, no momento da divisão celular, cada célula-

filha poderá receber uma molécula semelhante à da célula-mãe.


48

FIGURA 5.1. Os ácidos nucleicos.

1. Composição química: observe-se a posição dos grupos 3´ e 5´ no açúcar.

2. A molécula de DNA.

A. O pareamento das bases ocorre sempre entre uma purina e uma pirimidina: adenina e timina ou uracila;

guanina e citosina. B. A duplicação do DNA dá origem a duas moléculas semelhantes (à direita). Observe-se que o processo de duplicação envolve numerosas enzimas, sendo bem mais complexo do que está representado.

A. A dupla hélice B. A duplicação do DNA

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 5: Os ácidos nucleicos e os genes

49

O CÓDIGO GENÉTICO

A autoduplicação do DNA permite que cada célula receba uma cópia do material genético, com as

instruções necessárias para a construção e funcionamento do indivíduo.

O funcionamento de uma célula depende, fundamentalmente, de dois tipos de moléculas: os

ácidos nucleicos e as proteínas. Ambos estão relacionados, sendo que a estrutura primária de um

polipeptídeo é codificada por um gene, isto é, um segmento de DNA. O código é simples,

correspondendo um aminoácido a cada trinca de bases.

A tabela 5.1 nos mostra quais os aminoácidos correspondentes aos diferentes códons ou trincas

de bases do mRNA. Alguns são codificados por uma única trinca, como o triptófano (UGG) ou a

metionina (AUG); outros admitem vários códons que geram sinonímia como, por exemplo, a prolina

(CCU, CCC, CCA, CCG). O início da sequência é sinalizado por AUG, o códon correspondente a

metionina, sendo este aminoácido removido posteriormente; o fim da sequência é sinalizado por

UAA, UAG ou UGA, três códons que significam stop.

Mudanças na sequência de bases do DNA podem ter como consequência a substituição de um

aminoácido por outro. No exemplo da figura 5.3, se GUG for substituído por CGU, no peptídeo

correspondente a valina será substituído por leucina. Mas, em função da sinonímia do código, se a

trinca GUG for substituída por GUA ou GUC, o aminoácido codificado continuará sendo a valina.

Perdas ou adições de uma base modificam o resto da sequência do peptídeo.

As pequenas mudanças ou mutações de ponto se devem a erros na duplicação do DNA; sua

frequência aumenta em presença de alguns agentes químicos e físicos como a luz ultravioleta e os

raios X.

TABELA 5.1: O código genético

PRIMEIRA BASE

SEGUNDA BASE

TERCEIRA BASE URACILA (U) CITOSINA (C) ADENINA (A) GUANINA (G)

URACILA (U)

Phe

Phe

Leu

Leu

Ser

Ser

Ser

Ser

Tyr

Tyr

Stop

Stop

Cys

Cys

Stop

Trp

(U)

(C)

(A)

(G)

CITOSINA (C)

Leu

Leu

Leu

Leu

Pro

Pro

Pro

Pro

His

His

Gln

Gln

Arg

Arg

Arg

Arg

(U)

(C)

(A)

(G)

ADENINA (A)

Ile

Ile

Ile

Met

Thr

Thr

Thr

Thr

Asn

Asn

Lys

Lys

Ser

Ser

Arg

Arg

(U)

(C)

(A)

(G)

GUANINA (G)

Val

Val

Val

Val

Ala

Ala

Ala

Ala

Asp

Asp

Glu

Glu

Gly

Gly

Gly

Gly

(U)

(C)

(A)

(G)

Abreviaturas: Asp = Ácido Aspártico; Glu = Ácido Glutâmico; Ala = Alanina; Arg = Arginina; Asn = Asparagina;

Cys = Cisteína; Phe = Fenilalanina; Gly = Glicina; Gln = Glutamina; His = Histidina; Ile = Isoleucina; Leu = Leucina;

Lys = Lisina; Met = Metionina; Pro = Prolina; Ser = Serina; Tyr = Tirosina; Thr = Treonina; Trp = Triptófano;

Val = Valina.


50

DNA Filamento codificador Filamento molde

TRANSCRIÇÃO mRNA r RNA tRNA + aminoácidos

TRADUÇÃO Transporta os aminoácidos Onde ocorre a síntese e os coloca no lugar adequado

Peptídeo

FIGURA 5.2. O fluxo da informação genética.

FIGURA 5.3. A síntese de proteínas em células procarióticas e eucarióticas.

A. Células procarióticas

Transcrição Tradução Modificações

posteriores

DNA mRNA Proteína Alteração da

atividade da

proteína

B. Células eucarióticas

Transcrição Processamento Tradução Modificações

do RNA posteriores

DNA RNA transcrito mRNA mRNA Proteína Alteração da

atividade da

proteína

Núcleo Poro

Membrana nuclear


51

A EXPRESSÃO GÊNICA

O FLUXO DA INFORMAÇÃO GENÉTICA

A informação codificada no DNA é transcrita em uma molécula mensageira que a leva até os

ribossomos, onde as indicações serão traduzidas da linguagem dos ácidos nucleicos à linguagem das

proteínas, sendo montado o peptídeo correspondente. Deste modo, se estabelece na célula um fluxo

da informação genética que segue em uma direção única: do DNA ao RNA, do RNA ao peptídeo

(Figura 5.2).

Uma exceção a esta regra é a dos retrovírus, cujo material hereditário é RNA e que contam com

uma enzima (transcriptase reversa) que lhes permite transcrever a informação no sentido

RNADNA.

Na síntese de proteínas intervêm, basicamente, três tipos de RNA: mRNA, rRNA e tRNA.

O ácido ribonucleico mensageiro, ou mRNA, é de tamanho variável e filamento único. A

molécula de mRNA leva até os ribossomos a informação genética transcrita em trincas de bases

(códons) complementares a algum segmento de uma das cadeias do DNA.

Associado a proteínas, o ácido ribonucleico ribossômico ou rRNA forma as duas subunidades

dos ribossomos, que são as estruturas celulares onde ocorre a síntese proteica.

O ácido ribonucleico de transferência tRNA é capaz de reconhecer simultaneamente um

aminoácido e um códon de mRNA. Existem 61 tipos moleculares diferentes de tRNA.

Segundo o denominado Dogma Central da Biologia Molecular, a informação genética codificada

no DNA é transcrita no mRNA e traduzida no ribossomo com a participação dos tRNAs. O produto

final é um peptídeo.

As células procarióticas e eucarióticas apresentam algumas diferenças em relação às etapas da

síntese de proteínas e aos mecanismos de regulação correspondentes (Figura 5.3).

CÉLULAS PROCARIÓTICAS

Uma bactéria pode contar com aproximadamente 2.500 genes; nem todos funcionando

simultaneamente. Se houver lactose no meio (e faltar glicose), as bactérias sintetizarão aquelas

enzimas que possibilitem sua utilização. E se faltar o aminoácido triptófano no meio, produzirão os

vários tipos de enzimas necessárias para sintetizá-lo. Isto se vê facilitado pela agrupação dos genes

correspondentes em baterias (óperons), que são ligadas ou desligadas em conjunto.

Neste processo de “ligar e desligar” estão envolvidas três regiões anteriores à sequência

codificadora: o promotor, o operador e o regulador. A enzima RNA-polimerase encaixa no promotor,

desde onde começará a se deslocar ao longo do gene. Proteínas sintetizadas pelo gene regulador

agem no operador, abrindo ou bloqueando a passagem da RNA-polimerase. Este mecanismo

possibilita a indução ou repressão da transcrição da sequência codificadora (Figura 5.4).

A organização dos genes de uma mesma via metabólica em óperons permite que a célula se

adapte rapidamente às condições ambientais, com certa economia de recursos. O funcionamento do

óperon depende da função exercida pelos genes (degradação ou síntese). Por isso, a presença de

lactose induz a transcrição do óperon lac, sendo sintetizadas várias enzimas necessárias para

degradá-la; em ausência de lactose, o óperon deixa de funcionar. Já no óperon Trp, a presença de

triptófano reprime a transcrição das enzimas necessárias para sintetizar esse aminoácido.

Na célula procariótica, além dos genes funcionarem em bloco, a síntese proteica começa

quando o mRNA está ainda sendo transcrito, de maneira que a transcrição e a tradução são

simultâneas. Uma sequência específica que não é traduzida indica o sítio de união ao ribossomo.


52

CÉLULAS EUCARIÓTICAS

A transcrição

As bactérias não são as únicas que ligam e desligam os seus genes. Uma célula humana com 30.000 a

35.000 genes não expressa mais que 3 a 5% destes, que não serão necessariamente os mesmos ao

longo da vida embrionária ou em diferentes tipos celulares. Entretanto, salvo em nematódeos, não

foram achados óperons nas células eucarióticas; os genes responsáveis por uma sequência de

reações metabólicas se encontram dispersos em um ou em vários cromossomos.

O controle da transcrição começa na compactação do cromossomo e na metilação de algumas

bases, podendo dificultar o acesso da maquinaria de transcrição ao DNA. Esta inclui fatores de

ativação, fatores de transcrição e proteínas reguladoras, algumas das quais dependem de outras

sequências, estimuladoras e inibidoras, distantes do gene em até vários milhares de bases (Figura

5.5).

Ao reconhecer a presença dos fatores e proteínas reguladoras na região anterior ao gene, a

RNA-polimerase encaixa nas sequencias promotoras da transcrição. Associada a outros fatores

adicionais, a enzima se desloca abrindo a dupla hélice e transcrevendo a sequencia codificadora de

um ou outro filamento no RNA. A enzima avança na direção 5´- 3´, sendo que várias moléculas de

RNA-polimerase podem estar transcrevendo o mesmo gene simultaneamente em algo parecido com

uma fila indiana. A síntese acaba quando a RNA-polimerase encontra uma sequencia finalizadora.

Uma vez cumprida sua tarefa, a molécula de RNA-polimerase será liberada.

Regiões denominadas UTR (do inglês untranslated regions), portadoras de sequências

sinalizadoras que não serão traduzidas, se localizam a montante e a jusante da unidade de

transcrição. As sequências reguladoras levam, além do sítio de união ao ribossomo, outras que

podem determinar quando, por quanto tempo e em que células o gene será transcrito.

O processamento do RNA transcrito

Nos organismos eucarióticos, a estrutura do gene é fragmentada (Figura 5.5). A sequência gênica é

transcrita por inteiro no RNA e, posteriormente, um mecanismo de “corte e reunião” irá eliminar

algumas das sequências intercalares. Estas permanecerão no núcleo (íntrons) em quanto que as

restantes (éxons) formarão o RNA mensageiro que sairá do núcleo na direção do citoplasma. Tanto o

número como a extensão das sequências intercalares varia em diferentes genes.

As consequências biológicas deste mecanismo são importantes. Proteínas sintetizadas

utilizando as vias alternativas de “corte e reunião” permitem que um único gene se expresse de

maneira diferente em diversos tecidos. O corte e reunião dos fragmentos não é a única modificação

do RNA transcrito; este recebe um revestimento inicial ou cap (7-metilguanosina) que o dirigirá ao

ribossomo, e uma cauda de poli(A) que lhe dará estabilidade na sua viagem até a maquinaria de

tradução.

A tradução e o destino das proteínas

A síntese proteica se inicia depois do mRNA atravessar a membrana nuclear e migrar para o

citoplasma. Assim como a transcrição, a tradução envolve a participação de numerosas enzimas e

proteínas reguladoras.


53

Algumas moléculas de mRNA levam sequências sinalizadoras que as dirigem até os ribossomos

associados ao retículo endoplasmático, sendo as proteínas sintetizadas secretadas fora da célula.

Outras moléculas de mRNA serão traduzidas nos ribossomos livres no citosol, sendo as proteínas

resultantes utilizadas no mesmo lugar ou nas organelas celulares.

O mRNA reconhece o ribossomo mediante uma sequência específica; a associação entre ambos

dá início à síntese peptídica. Cada tRNA carrega o aminoácido que lhe corresponde até a cadeia

peptídica. A complementaridade entre um dos códons do mRNA e o anticódon do tRNA garante que

este coloque o aminoácido no lugar adequado na sequência.

Existem vários mecanismos de regulação envolvendo a ação de proteínas associadas ao

complexo ribossômico, variações na vida média do mRNA e inclusive a tradução do mRNA por vários

ribossomos ao mesmo tempo. O peptídeo sintetizado passará por diversas modificações e

associações, até se constituir no produto final ativo, uma proteína com uma estrutura quaternária

determinada. Uma visão geral comparativa da síntese proteica em células eucarióticas e

procarióticas (Figura 5.6).

FIGURA 5.4. A organização e regulação dos genes nas células procarióticas.

FIGURA 5.5. A organização e regulação dos genes nas células eucarióticas.

As UTR são sequências sinalizadoras que não serão traduzidas.

Gene

Sequências reguladoras Sequências reguladoras promotoras da transcrição finalizadoras da transcrição UTR UTR DNA

Unidade de transcrição. Inclui as sequências iniciais e finais, os éxons e os íntrons Início da transcrição Fim da transcrição Início da transcrição Fim da transcrição

Óperon Gene Gene Gene regulador promotor operador Genes estruturais

Gene 1 Gene 2 Gene 3 DNA Sequência transcrita Fim da transcrição

Em alguns óperons, o produto de gene regulador bloqueia a entrada da RNA-polimerase no operador; em outros a desbloqueia


54

Citoplasma DNA DNA Íntrons Éxons mRNA

Gene Proteínas

TRANSCRIÇÃO

A Núcleo RNA cap A: Adição de um revestimento inicial e de uma cauda de poli-A

B

B: Mecanismos de corte e reunião

mRNA

TRADUÇÃO

Proteína

FIGURA 5.6. As etapas da síntese de proteínas (Recapitulação).

A) Célula eucariótica B) Célula procariótica

mRNA

FIGURA 5.7. O silenciamento gênico.


55

O COMPLEXO MUNDO DOS RNAs

Nem todos os genes codificam proteínas, alguns codificam ácidos ribonucleicos que não são

traduzidos como proteínas (rRNA, tRNA). Nos últimos anos começou a ser desvendada a existência

de pequenas moléculas de RNA (sRNA, do inglês small RNA) e sua importância nas atividades

celulares. O sRNA participa no processamento de íntrons e de éxons, na regulação da expressão

génica e na conservação dos telómeros.

Essas atividades são possíveis devido à estrutura molecular do RNA, que permite o pareamento

com uma molécula de sequencia complementar e, também, às propriedades de se associar com

proteínas e de desenvolver uma atividade catalítica.

Dentre os diversos tipos de RNA descritos nos últimos anos, destacam-se os que impedem a

expressão gênica, no nível da tradução. Trata-se de moléculas de RNA de filamento duplo que são

clivados por enzimas em pequenos fragmentos de aproximadamente 20 nucleotídeos.

A associação entre um pequeno fragmento e o complexo proteico RISC (do inglês RNA-induced

silencing complex), desencadeia a degradação de um dos filamentos. O filamento restante

permanece associado a RISC, podendo parear com qualquer RNAm parcial o totalmente

complementar, bloqueando a tradução ou provocando sua destruição (Figura 5.7).

Aplicado tanto a moléculas de RNA endógenas como exógenas, o mecanismo permite silenciar

a expressão de um gene e eliminar as moléculas de RNA viral que tenham-se introduzido na célula.

As primeiras aplicações contemplam a agricultura e a medicina.

A GENÔMICA

O GENOMA HUMANO

O termo genoma designa o conjunto completo de cromossomos haploides que contém toda a

informação genética de um indivíduo. O genoma nuclear da espécie humana está representado em

24 cromossomos diferentes (22 autossômicos, X e Y) em cada um dos quais há uma molécula de

DNA. Devido à presença de DNA nas mitocôndrias, de herança exclusivamente materna, existe

também de um genoma mitocondrial.

Em 1990, teve início o Projeto Genoma Humano (HGP, do inglês Human Genome Project), um

dos projetos científicos mais ambiciosos já realizados, envolvendo pesquisadores de mais de 18

países na tarefa de mapear e sequenciar o DNA humano e também o de outros organismos.

Em Junho do ano 2000, o International Human Genome Sequencing Consortium e a Celera

Genomics, uma empresa privada norte-americana, anunciaram simultaneamente ter completado o

rascunho do genoma humano. Os resultados foram publicados em fevereiro de 2001, nas revistas

Nature e Science.

Em abril de 2003, cinquenta anos depois da descoberta da dupla hélice, o Consórcio anunciou

ter completado 99% do mapeamento. Os seus resultados estão armazenados em bancos de dados

públicos que podem ser acessados via Internet.

Entre as principais conclusões:

o O número de bases no genoma humano chega a 3,2 bilhões, e o número de genes a um valor compreendido entre 30.000 e 40.000; só 2% do genoma codificaria proteínas.

o O número de genes em organismos como a mosca Drosophila melanogaster ou o verme Caenorrabditis elegans é três vezes menor. Compartilhamos com estes organismos alguns genes e contamos com outros que são característicos dos vertebrados como, por exemplo, vários dos genes referentes ao sistema imune.


56

o A densidade dos genes em diversos cromossomos e em diferentes partes deles varia. Existem grandes espaços entre os genes, às vezes chamados de DNA-lixo. Sequências repetidas, não codificadoras, cuja função direta ainda não é bem conhecida, ocupam pelo menos 50% do genoma.

o O tamanho dos genes é variável, sendo na média de 3.000 bases. Na realidade, o tamanho não parece ter muita importância. Como boa parte dos genes poderia ser lida de diversos modos, o número de proteínas poderia ser bem maior.

o Independentemente de nossa origem étnica, compartimos com os outros seres humanos 99,9% da sequência gênica.

o As diferenças entre os seres humanos se devem a variações de uma base em 3.000.000 de pontos dentro e fora dos genes. Estas variações se denominam polimorfismos de um nucleotídeo único ou SNPs (do inglês, single nucleotide polymorphisms). Os SNPs podem dar informações sobre a base genética da susceptibilidade a uma série de doenças ou servir como marcadores das mesmas (doença cardiovascular, diabetes, artrite e cânceres).

o Em vários genes foram encontradas sequências associadas a doenças (câncer de mama, cegueira, surdez, doenças musculares).

Os laboratórios de sequenciamento modernos estão altamente automatizados, sendo que muito do

trabalho é feito por robôs e computadores. Uma quantidade enorme da informação obtida se

encontra na Internet, armazenada em grandes bancos de dados.

O desenvolvimento da Bioinformática, um conjunto de novas tecnologias que utiliza métodos

computacionais e matemáticos para analisar as informações, tem sido fundamental para o progresso

dos estudos sobre os genomas. Muitos dos estudos atuais não são mais feitos in vivo nem in vitro,

mas in silico.

A Genômica surge como uma nova disciplina que tenta responder a algumas questões

fundamentais: Onde estão os genes? O que faz cada gene? Como diferem os organismos em relação

a seus genes? Cada uma dessas perguntas a subdivide em especialidades como a Genômica

estrutural, a Genômica funcional ou a Genômica comparativa.

Paralelamente, se definem outras áreas de estudo, tais como:

o A transcriptômica, concernente ao RNA transcrito ou transcriptoma, isto é, aos padrões de expressão gênica.

o A proteômica, referente ao conjunto de proteínas da célula ou proteoma, que varia ao se diferenciarem as células e em resposta a estímulos ambientais.

o A metabolômica, relativa ao conjunto de substratos e subprodutos de reações enzimáticas que

incidem no fenótipo celular.

TABELA 5.2. O DNA como agente biológico.


DNA e genômica

Identificação de microrganismos patogênicos

Controle da qualidade dos alimentos

Medicina molecular (diagnósticos, tratamentos personalizados, terapias gênicas)

Testes genéticos (diagnósticos, avaliação dos riscos de saúde)

Agronomia e pecuária (métodos seletivos mais eficientes).

Indústria farmacológica (proteínas terapêuticas, vacinas recombinantes e de DNA)

Prática forense (identificação das pessoas)

Estudos antropológicos e evolutivos


57

A genômica tem aplicações imediatas no campo médico e farmacológico, através dos testes

genéticos e dos novos medicamentos (Tabela 5.2). Estima-se que, entre os 30.000 a 40.000 genes

humanos recentemente descobertos, 5.000 a 10.000 poderiam ser o alvo de novos produtos

farmacológicos. Se forem consideradas as proteínas, o número de alvos pode ser multiplicado por

dez.

Paralelamente ao mapeamento do genoma humano, mais de 900 outros organismos foram

sequenciados (microrganismos, plantas, animais). Em 2009, os mais de 4.500 projetos em

andamento abrangem organismos eucariontes (22%), bactérias (53%), arqueas (22%) e

metagenomas (3%). Em curto ou médio prazo, esta informação reverterá também no

desenvolvimento da agricultura, da pecuária e da indústria química.

A GENÔMICA EM AMÉRICA LATINA

Vários países de América Latina contam com projetos em andamento (Argentina, Brasil, Chile e

México). De um modo geral, estes envolvem parcerias entre instituições públicas e privadas, sendo

beneficiados por acordos internacionais com países desenvolvidos (Estados Unidos, França,

Alemanha) ou por redes de cooperação inter-regionais (Brasil, Argentina, Chile, Uruguai e Paraguai).

Pioneiro na ciência genômica, o Brasil alcança resultados significativos em diversas áreas, tais

como:

o Saúde humana: Sequenciamento de Schistosoma mansoni (um protozoário causador da esquistossomose), de Leischmania chagasi (um protozoário causador do calazar), de Paracoccidioides brasiliensis (um fungo causador de micose), de Trypanosoma cruzi (um protozoário causador da doença de Chagas), de Anopheles darlingi (um mosquito transmissor da malária) de Leptospira interrogans (uma bactéria transmitida pela urina do rato e que afeta o homem). Também se desenvolvem importantes estudos sobre o Genoma Humano do Câncer e o Genoma Clínico.

o Saúde animal: Sequenciamento de Mycoplasma synoviae (um vírus que afeta os bovinos) e Mycoplasma hyopneumoniae (um vírus que afeta os suínos).

o Pecuária: Mapeamento de Bos indicus (gado Nelore adaptado ao Brasil), estudos sobre o genoma funcional do boi, do frango, da abelha.

o Agricultura: Sequenciamento de Xylella fastidiosa (causadora da praga do amarelinho das videiras), de Xanthomonas (uma bactéria causadora do cancro cítrico ou tristeza), de Leifsonia xyli (bactéria que ataca a cana-de-açúcar), de Crinipellis perniciosa (um fungo causador da vassoura de bruxa, que ataca o cacau), de Baculovírus anticarsia (um vírus que ataca a lagarta da soja), de Mycosphaerella fijiensis (que causa a sigatoka negra da banana) de Gluconacetobacter diazotrophicus e de Herbaspirillum seropedicae (bactérias fixadoras de nitrogênio).

o Indústria: Sequenciamento de Chromobacterium violaceum (uma bactéria que pode originar compostos de interesse farmacológico) e de várias plantas industriais (guaraná, café, cana-de-açúcar, eucalipto, além de leguminosas como soja, feijão, feijão-caupi e amendoim).

Essas realizações foram possíveis graças ao envolvimento pioneiro da Fundação de Amparo à

Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e à criação de Rede Nacional de Sequenciamento do

Programa Genoma Brasileiro (CNPq, Ministério de Ciência e Tecnologia), com 25 laboratórios

regionais e um laboratório de bioinformática (Laboratório Nacional de Computação Científica), a

participação da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa) e várias universidades que

deram a infraestrutura necessária e possibilitaram a capacitação profissional.

A criação de empresas novas com fundo de capital de risco visa desenvolver produtos

biotecnológicos que gerem e comercializem patentes na área da genômica aplicada, com o qual, em

um futuro próximo, a participação do Brasil nesta área se verá afiançada.


58

6. OS BIOPROCESSOS



BIOPROCESSOS, PROCESSOS FERMENTATIVOS E INDÚSTRIA

A produção de vinhos e cervejas é o primeiro processo fermentativo desenvolvido em escala

industrial. Ao longo do século XX, a expansão da Microbiologia Industrial possibilitou, mediante o

desenvolvimento de processos baseados no metabolismo microbiano, a produção de diversas

substâncias (acetona, butanol, etanol, ácido cítrico, antibióticos etc.). Atualmente, as fermentações

encontram aplicações novas, tanto no tratamento ambiental como na produção de alimentos e

aditivos, de produtos químicos e de medicamentos.

Por motivos históricos, ainda hoje o termo processos fermentativos se aplica em biotecnologia a

qualquer processo microbiano operado em grande escala, independentemente de ser ou não uma

fermentação. E o termo fermentador se usa como sinônimo de biorreator, designando o recipiente

onde ocorre o processo (Figura 6.1).

FIGURA 6.1. O processo fermentativo genérico.

Subprodutos Produtos Resíduos

Preparação do inóculo FASE DE LABORATÓRIO

FASE INDUSTRIAL Preparação do meio Esterilização

Controles (temperatura, pH) Ar Esterilização Tratamento final


60

OS MICRORGANISMOS INDUSTRIAIS

NOÇÕES SOBRE O METABOLISMO PRIMÁRIO E SECUNDÁRIO

Denominamos metabolismo o conjunto de reações químicas de degradação (catabolismo) e de

síntese (anabolismo) de substâncias em um organismo. As primeiras liberam energia, as outras a

consomem.

As células e a maioria dos microrganismos retiram dos compostos orgânicos a energia que

precisam, para a manutenção de sua estrutura e para suas atividades. Nas vias catabólicas, a

degradação de compostos orgânicos em moléculas menores libera energia; uma parte desta será

acumulada sob a forma de ATP (trifosfato de adenosina), e a restante dissipada como calor.

Respiração e fermentação são as principais vias catabólicas (Figura 6.2). A quantidade de

energia liberada e os produtos finais diferem se a oxidação do composto orgânico for total ou parcial.

Na glicólise, a glicose é degradada até uma molécula de três carbonos, o piruvato. Em presença de

oxigênio, a entrada do piruvato no ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa permitem a quebra total

da glicose em CO2 e H2O, liberando uma grande quantidade de energia sob a forma de ATP

(respiração aeróbia).

Mediante a redução do piruvato ou de algum de seus derivados (fermentação), vários

microrganismos geram outras substâncias orgânicas: acetona, butanol, etanol, ácido láctico, ácido

acético, glicerol etc.

Estas reações ocorrem geralmente em ambientes onde o substrato é abundante, sendo

pequena a quantidade de energia obtida. Dependendo das condições ambientais, isto é, da presença

ou ausência de oxigênio, algumas leveduras e bactérias (assim como as células musculares) podem

respirar ou fermentar.

FIGURA 6.2. Respiração e fermentação.

Na respiração, onde o último aceptor de elétrons é o oxigênio, a oxidação de glicose se completa até chegar a CO2 e H2O, produzindo 36-38 moléculas de ATP. Na fermentação, o último aceptor de elétrons é o piruvato ou algum outro derivado, produzindo 2 ATP.

Glicose

GLICÓLISE (2 ATP)

Citoplasma

Ácido pirúvico Composto orgânico

Sem O2 (etanol, ácido láctico)

Com O2

Citoplasma (procariontes)

Mitocôndria (eucariontes)

CO2 , H2O e 36-38 ATP

RESPIRAÇÃO Ciclo de Krebs e cadeia respiratória

FERMENTAÇÃO

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 6: Os bioprocessos

61

A respiração e algumas fermentações são representadas mediante equações, como a seguir:

o Respiração aeróbia:

C6H12O6 + 6 O2 +38 ADP + 38Pi 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

Glicose

o Fermentação alcoólica (leveduras como S. cerevisiae e algumas bactérias):

C6H12O6 + 2 ADP + 2Pi CH3 CH2OH + CO2 + 2 ATP

Glicose Etanol

o Fermentação láctica (bactérias como Streptococcus e Lactobacillus):

C6H12O6 + 2 ADP + 2Pi CH3 CHOH COOH + 2 ATP

Glicose Ácido láctico

No metabolismo, os caminhos de degradação se cruzam com os de síntese. Outras moléculas

(aminoácidos, ácidos graxos) podem entrar em determinados pontos da via catabólica da glicose,

convergindo para a produção de energia e de pequenas moléculas simples (CO2, H2O e NH3).

Inversamente, alguns dos compostos intermediários do catabolismo são os pontos de partida para

vias anabólicas.

Entretanto, as vias metabólicas não são reversíveis: o caminho seguido na degradação de uma

substância é parcial ou totalmente diferente do caminho de síntese correspondente, podendo

inclusive ocorrer em compartimentos celulares diferentes. Esta separação facilita a regulação

enzimática do metabolismo que ocorre com o menor desperdício de matéria e energia.

Além das vias metabólicas primárias, que são comuns a todos os microrganismos, existem

outras vias metabólicas secundárias específicas. A ativação de umas e/ou de outras depende do

microrganismo e das condições em que ele se desenvolve em seu ambiente natural ou em que irá ser

cultivado.

Os metabólitos primários estão relacionados com o crescimento dos microrganismos e a

transformação de nutrientes em biomassa; sendo os principais exemplos o etanol, o ácido láctico ou

os aminoácidos.

Já os metabólitos secundários, mesmo sendo desnecessários no metabolismo microbiano,

permitem a sobrevivência em ambientes extremamente competitivos que contam com escassos

nutrientes. São metabólitos secundários os antibióticos, os alcaloides, os pigmentos, algumas

enzimas e toxinas.

De um modo geral, quando os microrganismos se desenvolvem em um meio com uma

quantidade limitada de nutrientes, a população passa por diversas fases (Figura 6.3A).

o Fase lag: período de adaptação em que, apesar de não se multiplicar, os microrganismos sintetizam enzimas e constituintes celulares.

o Fase log: a população cresce de maneira exponencial, sendo sintetizados numerosos metabólitos primários.

o Fase estacionária: devido ao esgotamento dos nutrientes e à acumulação de excretas, algumas células morrem, enquanto outras se dividem. No fim da fase log e início da fase estacionária começam a serem sintetizados os metabólitos secundários.

o Fase de declínio: sem a renovação dos nutrientes, as células morrem em um tempo variável. Com vistas ao desenvolvimento de um bioprocesso, a escolha do microrganismo terá que ser feita

em função de suas vias metabólicas; e as condições de cultivo dependerão do objetivo da

fermentação, um metabólito primário ou um metabólito secundário (Figura 6.3B).


62

FIGURA 6.3: As diversas fases do crescimento de uma população microbiana e a produção de

metabólitos.

A. As fases de crescimento de uma população.

log do número

de células

Tempo Fase Fase Fase Fase

lag log estacionária de declínio

B: A produção de metabólitos primários e secundários.

Os nutrientes do meio permitem a multiplicação celular e a formação do metabólito primário, que pode ser utilizado pelas células para sintetizar o metabólito secundário (a); este pode também ser sintetizado diretamente a partir de alguma substância do meio (b).

MEIOS DE CULTURA E MATÉRIA-PRIMA

A composição do meio de cultura depende das necessidades metabólicas do microrganismo

escolhido. Este deve conter todos os nutrientes necessários nas concentrações adequadas, que

variam em função do microrganismo e do objetivo do processo. Em geral, os meios de cultura

utilizados no laboratório incluem:

o Água. o Uma fonte de energia e de carbono: glicose, amido etc. o Uma fonte de nitrogênio: inorgânica (sulfato de amônia, nitrato de potássio etc.), orgânica (asparragina,

succinato de amônia, glutamato, ureia etc.) ou complexa (farinha de soja, peptona etc.). o Sais minerais, tais como fosfato de potássio (K2HPO4 ou KH2PO4), sulfato de magnésio (MgSO4 7H2O),

cloreto de cálcio (CaCl2) etc. o Elementos-traço: ferro, zinco, manganês, cobre, cobalto, molibdênio.

Com vistas a uma exploração comercial, os meios definidos são substituídos na indústria por

matérias-primas de baixo custo como, por exemplo, soro de leite, melaço de cana ou de beterraba,

amido de milho etc. Em alguns casos, a matéria-prima passa por um tratamento prévio com métodos

físicos e/ou químicos.

No caso de se tratar de um processo enzimático, o meio deverá levar, além do substrato

adequado, os elementos necessários para que a enzima possa desenvolver sua atividade catalítica

(precursores, cofatores etc.).

a b

Meio nutriente Metabólito secundário Metabólito primário Células


63

A ESCOLHA DAS LINHAGENS

De um modo geral, para que o cultivo em um fermentador resulte economicamente viável, o

microrganismo deve ser capaz de se multiplicar rapidamente, sintetizando grande quantidade do

produto a partir de uma matéria-prima barata. Existem Bancos e Coleções de Cultura que vendem

esse tipo de linhagens de microrganismos como culturas puras, geneticamente estáveis e aptas para

o cultivo em grande escala.

Apesar de terem sido isoladas do meio ambiente, as linhagens industriais diferem

substancialmente das linhagens originais, em virtude de uma série de alterações genéticas

(mutações, recombinações) obtidas no laboratório. Algumas vias metabólicas, especialmente as do

metabolismo secundário, podem ter sido alteradas, de maneira a aumentar ao máximo a síntese do

produto desejado e evitar a produção de algumas substâncias desnecessárias.

Em geral, por estar tão selecionadas geneticamente, tendo inclusive algumas vias metabólicas

anuladas ou desbalanceadas, estas linhagens sobrevivem pouco tempo no meio ambiente. Porém,

como norma geral, as linhagens industriais não devem ser patogênicas nem produzir toxinas. A

produção de medicamentos ou de vacinas é um caso especial que exige medidas de segurança

estritas.

Os microrganismos constituem um grupo biológico muito diversificado e, ainda, pouco

conhecido, por isso existem muitas expectativas em relação à prospecção de linhagens em

ambientes extremos ou pouco usuais. Não se precisa desenvolver um processo novo para cada

microrganismo que apresente alguma característica comercial interessante. A tendência atual é de

transferir os genes correspondentes a algum dos microrganismos conhecidos, adaptados às

condições industriais.

OS DIFERENTES TIPOS DE BIOPROCESSOS

OS PROCESSOS TRADICIONAIS

Algumas fermentações se desenvolvem sobre resíduos agroindustriais ou florestais, como grãos,

palha, bagaço, serragem etc. Este tipo de fermentação em meio sólido umedecido é utilizada na

produção de alimentos como, por exemplo, o levedo da massa na panificação, a maturação de

queijos por ação de fungos (Roquefort, Gorgonzola), o cultivo de fungos, a fermentação do cacau, do

café e do chá etc. Na Ásia, a preparação do koji, soja fermentada, é a base de alimentos tradicionais

como o tofu, o missô, o shoyu e o sakê.

Em alguns lugares, estas fermentações ainda ocorrem artesanalmente, dentro de folhas de

bananeira e cestas de bambu ou mesmo em montões; também existem hoje equipamentos

sofisticado com bandejas, colunas, frascos e tambores rotativos, alguns totalmente automatizados

(Figura 6.4).

Outra variante interessante do processo fermentativo é a produção tradicional de vinagre

(Processo Francês ou de Orléans) em barris de carvalho. O vinho é inoculado com bactérias do

gênero Acetobacter que formam na superfície a "mãe do vinagre", uma película que flutua, presa a

um quadriculado de madeira que a impede de afundar. Deste modo, o microrganismo cresce na

superfície de um meio líquido, em contato simultâneo com o ar e com o meio.

O processo fornece excelentes vinagres, mas é lento e exige muito espaço, sendo a capacidade

de cada barril de 200 litros (Figura 6.5). Existem outros processos semelhantes, conduzidos por

fungos, que formam uma película de micélio na superfície do líquido.


64

FIGURA 6.4. Biorreator para fermentações em fase sólida.

FIGURA 6.5. Um processo tradicional, a produção de vinagre (Método de Orléans).

OS PROCESSOS SUBMERSOS

Atualmente, a maioria dos processos industriais se desenvolve em cubas de vidro ou de aço de até 20

litros. Os agentes biológicos se encontram submersos no meio de cultivo que ocupa,

aproximadamente, 75% da cuba. Às vezes é necessário injetar ar, e em muitas fermentações se

forma espuma.

O desenho do biorreator deve se adequar ao objetivo do processo, respondendo

eventualmente a diversos imperativos, tais como a esterilização do sistema, a aeração e

homogeneização do meio, o acréscimo de nutrientes e de aditivos antiespuma, a manutenção do pH

etc.

Os modelos de fermentadores mais utilizados com microrganismos contam com aeração e

agitação mecânica. Esta facilita a distribuição dos nutrientes na cuba, mas gera calor que deve ser

eliminado mediante a circulação de água fria (Figura 6.6). Se o processo exigir assepsia, esta será

conseguida mediante:

o A esterilização do meio, dentro ou fora do fermentador. o A desinfecção ou esterilização do equipamento, por injeção de vapor ou mediante o calor gerado por

serpentinas, sendo esta medida extensiva a todos os ductos de entrada e saída e às válvulas correspondentes.

o A esterilização do ar, mediante filtros adequados.

Em outros tipos de biorreatores, em coluna ou torre, a homogeneização depende da injeção de ar

(Figura 6.7). Os tanques podem chegar a 3.000 m3 de capacidade como, por exemplo, os

fermentadores para a produção de proteínas de célula única, da Imperial Chemical Industries (ICI), no

Reino Unido.

Tubo para adicionar o vinho

Entrada de ar

Mãe do vinagre

Mosto Retirada do vinagre

Injeção de ar Controles Saída de ar Umidade Bandejas com a matéria-prima para o cultivo de microrganismos


65

FIGURA 6.6. Modelo de biorreator utilizado em fermentações submersas.

OUTROS SISTEMAS SUBMERSOS

Os sistemas submersos são apropriados para o cultivo de microrganismos livres, mas resultam pouco

econômicos quando se trabalha com células ou enzimas caras. A imobilização em fermentadores

menores, seja por adesão a um suporte inerte, seja por inclusão dentro de um polímero que permita

o contato com o meio de cultura, além de simplificar a purificação do produto permite a reutilização

das células ou das enzimas, que permanecem dentro do biorreator (Figura 6.7).

O crescimento da população microbiana, ou a quantidade do produto formado são monitorados

a partir de amostras extraídas ao longo do processo. Existem fermentadores adaptados às

necessidade de cada agente biológico e de cada tipo de processos

DO LABORATÓRIO À INDÚSTRIA

A MUDANÇA DE ESCALA

A capacidade de uma cuba varia entre 1 e 10 l para um fermentador de laboratório, chegando a

5.000 l em uma planta piloto e 100.000 l em uma planta industrial.

Uma operação simples de laboratório pode ser impraticável, ou pouco econômica, quando

realizada em grande escala. No laboratório, após as primeiras experiências realizadas na bancada, o

processo passa a ser estudado em um biorreator de até 10 litros de capacidade, onde se analisam as

variáveis físico-químicas em outra escala.


66

Ao aumentar o tamanho do equipamento, altera-se a relação superfície/volume, de modo que

as condições de operação do fermentador na planta piloto deverão ser ajustadas até se aproximar

das correspondentes a um processo comercial. Se a experiência na planta piloto for bem-sucedida, o

processo poderá ser desenvolvido em um fermentador industrial (Figura 6.8).

A automatização do monitoramento e do controle da fermentação permite que a informação

relativa aos parâmetros físicos e químicos (pH, temperatura, oxigênio, velocidade de agitação, o nível

do meio etc.) seja recolhida on-line por sondas e sensores. Para que o processo se aproxime das

condições ideais, a informação é analisada em relação a um modelo previamente estabelecido. Como

este se elabora a partir da experiência obtida com cubas menores (laboratório, piloto), os ajustes à

mudança de escala são de grande complexidade.

FIGURA 6.7. Fermentações, agentes biológicos e biorreatores.

Reatores em torre

Reatores STR Ou com membranas planas

Ou de leito fluidizado

Livres Imobilizadas

FERMENTAÇÕES SUBMERSAS

Podem ser conduzidas por

CÉLULAS E ENZIMAS

Reatores de fibra oca

Reatores de leito fixo

Em suportes inertes

Reatores com agitação mecânica

Entre membranas

Reatores com agitação pneumática

Coluna de bolhas Reatores air-lift


67

FIGURA 6.8. A mudança de escala, do laboratório à indústria.

A mudança de escala entre o processo laboratorial e o processo industrial cria vários problemas de

índole tecnológica.

A CONDUÇÃO DO PROCESSO

O processo fermentativo pode ser conduzido de maneira contínua ou descontínua (batelada), sendo

que ambas as formas apresentam vantagens e inconvenientes.

Em um sistema descontínuo de produção, uma vez que o fermentador é carregado com a

matéria-prima e o inóculo correspondentes, a fermentação prossegue até o esgotamento dos

nutrientes. Concluído o processo e extraído o produto, o fermentador é esvaziado, limpo e

esterilizado antes de receber outra carga.

Apesar do tempo improdutivo entre uma batelada e a seguinte, o sistema é relativamente

flexível, já que o mesmo equipamento pode ser utilizado na fabricação de produtos diferentes. A

produção em bateladas é bastante utilizada na indústria farmacêutica porque o risco de

contaminação permanece relativamente baixo.

Já no sistema contínuo de produção, o acréscimo de nutrientes e a retirada do produto ocorrem

simultaneamente ao longo do processo, eliminando-se quase totalmente o tempo improdutivo.

Como o risco de contaminação aumenta, o sistema se adapta a processos que não exijam assepsia,

como a produção de proteína microbiana e de álcool e, obviamente, o tratamento de água.

Entre o sistema em batelada e o sistema contínuo existe um sistema intermediário de batelada

alimentada em que, periodicamente, parte do conteúdo (meio de cultivo + produto) é retirada e

substituída por meio fresco.

LABORATÓRIO PILOTO INDÚSTRIA

Fermentador de laboratório Fermentador piloto Fermentador industrial 1 - 10 litros 50 – 200 – 500 litros 5.000 – 50.000 – 200.000 litros 5 – 50 – 200 m3

Bancada


68

A RECUPERAÇÃO DO PRODUTO

A recuperação do produto representa uma fração considerável do custo de um processo

fermentativo. Se o produto for secretado fora da célula, estará disperso em um volume grande de

água e será necessário separá-lo por decantação ou filtração. Mas se o produto permanecer dentro

das células, estas terão que ser desintegradas para proceder a sua extração.

O produto se concentra por sedimentação, precipitação, filtração, centrifugação, extração por

solventes, destilação, evaporação do solvente e secagem. Se a purificação for necessária, esta

envolverá outros procedimentos, como a cristalização e os métodos cromatográficos.

Um problema a considerar é o despejo dos resíduos de uma fermentação, alguns dos quais

podem representar um perigo para o meio ambiente como, por exemplo, o vinhoto resultante da

produção de etanol ou o soro das indústrias de laticínios. Existem formas de tratamento, como o

crescimento de biomassa sobre resíduos industriais, que eliminam o problema e ainda permitem a

obtenção de mais um produto.

OS BIOPROCESSOS NA INDÚSTRIA DE FERTILIZANTES

Os bioprocessos são utilizados por numerosas indústrias na produção de bens e serviços, em vários

setores produtivos (indústria, meio ambiente, saúde). Vários exemplos serão tratados nos capítulos

correspondentes (indústria, meio ambiente, alimentos, saúde).

A utilização de bioprocessos na indústria de fertilizantes é uma aplicação interessante porque

permite a substituição de produtos químicos derivados do petróleo por agentes biológicos, menos

prejudiciais para o meio ambiente.

Na América Latina, a produção de biofertilizantes envolve numerosas empresas, pequenas e

médias, que contam com um sólido suporte tecnológico originado em universidades e instituições

públicas de pesquisa agronômica.

O termo biofertilizante se aplica aos produtos que contém agentes biológicos capazes de

favorecer o desenvolvimento vegetal. Um destes agentes é o Rhizobium, uma bactéria simbionte das

raízes de leguminosas que fixa o nitrogênio atmosférico, reduzindo a necessidade de aplicar

fertilizantes nitrogenados nas lavouras.

Vários países produzem inoculantes agrícolas; entre eles: Argentina, Brasil, Chile, Colômbia,

Cuba, México, Peru e Uruguai.

As linhagens bacterianas são estirpes selecionadas por sua eficiência em uma ampla gama de

cultivares e amplamente adaptadas às condições locais. A multiplicação dos microrganismos se

realiza em etapas sucessivas, utilizando recipientes cada vez maiores até chegar a biorreatores de

1.500 litros. Uma vez recuperados, os microrganismos são veiculados em meio líquido ou em turfa

estéril, sendo empacotados e posteriormente vendidos e distribuídos aos agricultores. Segundo a

legislação do Mercosul, durante o prazo de validade do produto, a concentração deverá ser de 108

microrganismos viáveis por grama de produto.

Com o mapeamento do genoma de microrganismos como o Rhizobium etli (México) e o

Gluconacetobacter diazotrophicus (Brasil), a biotecnologia moderna começa a se inserir neste campo.

No entanto, até o presente, a indústria baseia a produção dos microrganismos nas tecnologias

fermentativas clássicas.

7. A CULTURA DE CÉLULAS E TECIDOS



O CULTIVO DE CÉLULAS E TECIDOS VEGETAIS

AS PRIMEIRAS TENTATIVAS

A reprodução assexual é utilizada para obter um grande número de mudas a partir de uma única

planta. Dependendo do caso, aproveitam-se bulbos (cebola), cormos (gladíolo), rizomas

(samambaias), tubérculos (batata-inglesa), caules (banana), raízes (batata-doce, maça, amora), folhas

(begônia, espada-de-são-jorge), estacas (videiras) etc. As plantas obtidas por propagação assexuada

ou vegetativa são idênticas à planta-mãe e idênticas entre si. Em outras palavras, são clones.

A capacidade de uma célula regenerar réplicas do organismo do qual ela deriva é denominada

totipotência. Restringida em animais, esta propriedade é característica das plantas. Em função das

condições fisiológicas e ambientais, as células vegetais seguem vias metabólicas diferentes. A

totipotência permite a sobrevivência das plantas superiores após o ataque de herbívoros, pragas e

patógenos ou em condições ambientais desfavoráveis.

As primeiras tentativas de cultura de tecidos vegetais em laboratório datam de 1902, no

entanto, a primeira experiência bem-sucedida é a germinação in vitro de sementes de orquídea

(Knudson, 1922). Transferidas assepticamente ao meio de cultura, e incubadas em condições

favoráveis, as sementes e mais tarde as plântulas se mantiveram protegidas do ataque de fungos e

bactérias. Com algumas variações, o método é usado ainda hoje por numerosos floricultores, porque,

devido ao tamanho minúsculo das sementes e à ausência de reservas nutritivas, as possibilidades de

sobrevivência das plântulas após a germinação in vivo são muito baixas.

Distintamente das experiências anteriores, a micropropagação se inicia a partir de explantes,

isto é, de pequenos fragmentos de tecido extraídos de diversas partes da planta, tais como folhas,

raízes, segmentos nodais e gemas axilares, gemas florais e apicais (Figura 7.1 ).

FIGURA 7.1. As diversas partes de uma planta angiosperma.


70

OS MEIOS DE CULTURA

O meio de cultura inclui água, uma fonte de carbono, substâncias inorgânicas (sais minerais),

vitaminas, hormônios e fatores reguladores do crescimento (Tabela 1). Alguns destes componentes

podem ser substituídos por misturas pouco definidas, mais econômicas ou simples de manipular

(água de coco, suco de tomate, suco de laranja). Geralmente, o pH do meio varia entre 5,0 e 6,5.

A composição do meio de cultura varia com as necessidades de cada espécie. O crescimento e a

diferenciação celular são controlados modificando a proporção entre os hormônios e reguladores de

crescimento. De um modo geral, se a proporção entre citocininas e auxinas for maior que 1,

desenvolvem-se brotos, se for menor, raízes e, se for igual, calos.

A incubação ocorre a uma temperatura entre 23 e 28C, com 12 a 14 horas diárias de

iluminação.

TABELA 7.1. Os componentes do meio de cultura para células vegetais.

COMPONENTES CARACTERÍSTICAS E EXEMPLOS

Água destilada Representa 95% do meio nutriente.

Fonte de carbono Geralmente se utiliza sacarose. A fonte de carbono é necessária porque os explantes não são totalmente autotróficos e a fotossíntese in vitro não supre as necessidades das células.

Substâncias inorgânicas Macroelementos (N, P, K, Ca, Mg, S) e microelementos (Fe, Co, Zn, Ni, B, Al, Mn, Mo, Cu, I), em uma proporção que depende da planta escolhida.

Vitaminas Mioinositol, vitamina B1 (tiamina), ácido nicotínico (niacina), vitamina B6

(piridoxina), pantotenato de cálcio, ácido fólico, vitamina B2 (riboflavina), vitamina C (ácido ascórbico), vitamina H (biotina), ácido para-aminobenzoico e vitamina E (tocoferol).

Hormônios e reguladores de crescimento

Auxinas

Estas promovem o alongamento celular, a formação de calos e de raízes adventícias; inibem a formação de brotos axilares adventícios e, às vezes, a embriogênese em suspensões celulares. Exemplos: IAA (ácido indolacético), NAA (ácido naftalenoacético), IBA (ácido indolbutírico), 2,4 D (2,4- diclorofenoxiacético).

Citocininas

Estas promovem a divisão celular, regulam o crescimento e o desenvolvimento dos tecidos vegetais. Exemplos: cinetina, 2iP (2-isopentiladenina), BAP (benzilaminopurina), zeatina.

Outras substâncias

Exemplos: giberelinas, ácido abcíssico, etileno.

Misturas de substâncias pouco definidas

Exemplos: extrato de levedura, extratos vegetais, hidrolisados de caseína, peptona e triptona. A tendência atual em pesquisa é de substituí-los por meios de composição definida.

Materiais inertes Utilizados como suporte. Exemplos: agar, agarose, outros polissacarídeos (Gelrite, Phytagel), lã de vidro, papel de filtro, areia, esponjas de poliestireno.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 7: A cultura de células e tecidos

71

AS ETAPAS DO PROCESSO

A capacidade de regeneração é maior nas plantas herbáceas que nas lenhosas, distribuindo-se em

forma desigual entre algumas famílias de Solanáceas, Crucíferas, Gesneriáceas, Compostas e

Liliáceas; depende também do genótipo e das condições ambientais, diminuindo com a idade da

planta.

A cultura in vitro tem a vantagem de ser mais rápida e de ocupar muito menos espaço que a

multiplicação in vivo. As principais aplicações estão no cultivo de plantas ornamentais, de hortaliças e

na silvicultura.

Os explantes se cultivam assepticamente em meios de composição adequada, possibilitando a

regeneração direta da planta. O processo envolve quatro etapas:

A. Estabelecimento de uma cultura asséptica.

Uma vez retirados da planta-mãe, os explantes são desinfetados com um agente químico, geralmente hipoclorito de sódio, que é mais tarde lavado. Os explantes são transferidos para o meio de cultura, em condições assépticas semelhantes às utilizadas para a cultura de microrganismos

(Figura 7.2). A incubação ocorrerá a uma temperatura entre 23 e 28C, com iluminação durante 12 a 14 horas diárias.

B. Multiplicação.

Os propágulos desenvolvidos são divididos e transferidos para um meio de multiplicação, de maneira a se obter numerosas subculturas (Figura 7.3).

C. Preparação das plântulas para a transferência ao solo.

As plântulas das subculturas são transferidas para um meio de enraizamento onde, além de desenvolver raízes, enrijecem e começam a fotossintetizar.

D. Aclimatação.

Transferência das plântulas, primeiro para o solo ou para algum outro substrato, mais tarde para uma casa de vegetação. Protegidas da iluminação solar direta, elas aumentarão sua capacidade fotossintética adaptando-se lentamente as condições ambientais.

FIGURA 7.2. O procedimento a seguir para se obter uma cultura asséptica no laboratório.

Separação Esterilização Lavados Dissecação Incubação dos explantes e semeadura Água + detergente + hipoclorito de sódio Água estéril Condições assépticas, 20-25

0C, na luz


72

FIGURA 7.3. Obtenção de subculturas a partir de explantes nodais.

FIGURA 7.4. A cultura de meristemas.

FIGURA 7.5. As diferentes possibilidades dos cultivos de calos.


73

AS DIFERENTES MODALIDADES

A cultura de meristemas

A regeneração de uma planta pode ocorrer a partir de um órgão tão pequeno quanto a gema apical

(tamanho 0,5 a 2 mm). Nesta, associado aos primórdios foliares e ao tecido subapical, se encontra

um pequeno fragmento (0,01 a 0,3 mm) de meristema, um tecido embrionário a partir do qual se

formam todos os outros tecidos das plantas. Por isso, a cultura da gema apical pode ser substituída

pela cultura de meristemas (Figura 7.4).

Estoques de plantas livres de vírus e de outros patógenos são obtidos associando a cultura de

meristemas com a termoterapia, uma incubação a 32-340C, por um tempo determinado (gerânio,

dália, crisântemo, cana-de-açúcar, batata, morangueiro, alcachofra etc.). Recuperam-se com este

método algumas plantas que só se reproduzem naturalmente pela via assexuada e se encontram

ameaçadas de extinção devido à contaminação por vírus

Os exemplos citados na bibliografia sobre o cultivo de meristemas são, no mínimo,

impressionantes. Se um tubérculo de inhame de 100 g produz 25 kg de tubérculos em dois anos, por

micropropagação produzirá 300.000 kg; a partir de uma única gema apical podem-se obter 4.000.000

de cravos em um ano.

A técnica também permite a multiplicação de espécies que se reproduzem lenta e/ou

dificilmente, como as orquídeas, e acelerar a produção de mudas em plantas com ciclo anual ou

bianual. Outra variação desta modalidade é a microenxertia, que se aplica às essências florestais

(eucalipto) e às árvores frutíferas (citros). A técnica gera uma alta produtividade de mudas sadias,

que são cultivadas em pouco espaço (mais de 1.000 plantas / m2) sem depender dos fatores

climáticos e da época do ano.

Do ponto de vista econômico, o custo destas mudas é alto porque a cultura em meio sólido

necessita um trabalho minucioso e uma mão de obra especializada. A multiplicação dos propágulos

em biorreatores, análogos aos fermentadores microbianos, visa reduzir os custos. Ao modelo

tradicional de pás giratórias que danifica os tecidos e as células, preferem-se pequenas cubas de 1 a

5 l onde os propágulos permanecem em sistemas de imersão permanente ou temporária.

Apesar dos custos, a tecnologia é interessante quando se planeja introduzir uma espécie em

uma região determinada porque elimina qualquer contaminação prévia. Também é interessante para

iniciar a propagação vegetativa com mudas certificadas, visando a amplificação posterior dos

cultivos.

A cultura de calos

A cultura de calo é a modalidade alternativa para aquelas plantas que não podem ser propagadas

diretamente a partir de meristemas. Um calo é uma massa de células desdiferenciadas que prolifera

de maneira irregular a partir de um explante; trata-se de um tecido de tipo tumoral que, in vivo, é

produzido como resposta aos ferimentos em órgãos e tecidos.

Uma vez estabelecido em um meio de cultura, o calo pode ser subdividido a cada três ou quatro

semanas, mantendo indefinidamente as células em meio nutriente com a mesma composição. Se o

calo for transferido a outro meio com uma concentração diferente de hormônios, formar-se-ão

órgãos ou embriões, a partir dos quais poderão ser regeneradas numerosas plantas (Figura 7.5).

Diferentemente das outras modalidades de cultura de tecidos, na cultura de calos a proliferação

celular está acompanhada por um aumento das variações genéticas e da instabilidade cromossômica

(variação somaclonal).


74

Devido a essa característica, a cultura de calos resulta menos conveniente que a cultura de

meristemas para micropropagação. Contudo, sua utilização é inevitável no caso de algumas espécies

economicamente importantes (cereais, leguminosas, forrageiras, espécies florestais e palmeiras

tropicais). Por outro lado, a variação somaclonal permite a seleção de variedades de plantas com

propriedades novas, tais como a resistência ao estresse, ao ataque de insetos, a patógenos, a

herbicidas, a concentrações salinas elevadas, a moléculas químicas (Al, Mn). A variabilidade pode ser

aumentada pela utilização de agentes mutagênicos.

A cultura de células e órgãos vegetais em biorreatores

Desagregando um calo em meio líquido se obtém uma suspensão de células que podem ser

cultivadas em biorreatores industriais visando a produção de metabólitos secundários ou de

embrioides, isto é de embriões formados a partir de células somáticas. Podem ser encapsulados em

uma substância gelatinosa contendo nutrientes, envolta por um plástico biodegradável, formando

“sementes artificiais”. Estas se desenvolvem normalmente quando semeadas na terra, por isso uma

das aplicações desta tecnologia é sua dispersão por aviões para o reflorestamento de regiões de

difícil acesso.

Os metabólitos secundários, ou compostos naturais, são considerados produtos de Química

Fina, tendo um alto valor agregado no mercado. Trata-se de alcaloides, de glicosídeos cardíacos, de

substâncias antitumorais e antimicrobianas, de hormônios esteroides etc. para a indústria

farmacêutica e, também, de corantes, adoçantes e aromas para as indústrias alimentícia e cosmética.

A possibilidade de substituir os métodos tradicionais de extração ou de síntese, pela produção

mediante o cultivo de suspensões celulares em biorreatores, gerou grandes expectativas comerciais.

No início da década de 1990, vários estudos estimaram as condições necessárias para que a síntese

ou a bioconversão de compostos naturais em produtos de alto valor agregado resultasse vantajosa.

Os cálculos mostraram que se o mercado fosse suficientemente amplo e o valor do produto

superasse os US$ 500 ou 1.000 por kg, a produtividade do sistema deveria ser de pelo menos um

grama de composto por litro de cultura celular. Estas condições não são tão frequentes.

Do ponto de vista tecnológico, as células vegetais são grandes (100 m) e sedimentam com

facilidade. A tendência a formar agregados as torna muito sensíveis ao cisalhamento. Como o

crescimento é lento, os riscos de contaminação aumentam. Também existem problemas

relacionados com a transferência de oxigênio.

Existem diversos modelos de biorreatores para o cultivo de células vegetais, entre os quais o

tradicional de pás giratórias e outros de tipo air-lift ou de leito fluidizado. A condução do processo

pode ser descontínua, semicontínua ou contínua; neste último caso se utilizam células imobilizadas.

A escolha de uma modalidade ou outra de cultivo depende da substância estar, ou não, associada ao

crescimento celular e, também, de se tratar de um produto intra ou extracelular.

O cultivo de órgãos e especialmente de raízes transformadas (hair roots) tem dado bons

resultados, apesar de poucos terem alcançado um nível comercial. Entre eles, a produção de

shikonina a partir de raízes (Lithospermum erythrorhizon) pela empresa Mitsui Petrochemical Ind.

Ltd.; de gingenosídeo (Panax ginseng) e de purpurina (Rubia akane) por Nitto Denko Corp.; e de

paclitaxel (Taxos cuspidata), comercializado como Taxol por Phyton Inc., uma empresa associada a

Bristol-Myers Squibb.

Espera-se que as estratégias para aumentar a produção, combinando o desenvolvimento de

novos processos industriais com a engenharia metabólica das células, possam vir a estabelecer as

bases de uma agricultura molecular. Por enquanto, as aplicações se restringem à produção de alguns

fármacos e de aditivos para a indústria de alimentos (flavorizantes, corantes e aromas).


75

FIGURA 7.6. As possibilidades do cultivo de células vegetais e animais.


76

MELHORAMENTO E CONSERVAÇÃO DA BIODIVERSIDADE VEGETAL

Existem várias modalidades de cultura de tecidos que contribuem para facilitar a tarefa de

melhoramento (Figura 7.6) O método genético tradicional, isto é, a autofecundação das plantas por

várias gerações, demora oito ou 10 anos para obter linhagens puras (homozigotas), em que se

manifestem os caracteres recessivos. Esse tempo pode se reduzir a meses mediante a cultura de

anteras, gerando-se plantas haploides (n cromossomos), que tratadas com colchicina originam

diretamente plantas diploides (2n) homozigotas.

Os protoplastos se formam por digestão enzimática da parede celular, que poderá ser

regenerada novamente no meio de cultura. Durante o período em que a célula está sem a parede

celular, pode-se introduzir material genético estranho (transformação) ou conseguir a fusão de

protoplastos de diferentes cultivares ou espécies (hibridização somática).

Como as plantas resultantes destes cruzamentos geram sementes que dificilmente se

desenvolvem, frequentemente é necessário retirar os embriões do resto da semente e proceder a

sua recuperação mediante a cultura in vitro.

Protoplastos, células, calos, gemas apicais e laterais, meristemas, sementes, embriões

somáticos e zigóticos, todos podem ser congelados em nitrogênio líquido a –1960C. A

criopreservação facilita a preservação de numerosas plantas ornamentais, frutíferas, oleaginosas,

leguminosas, medicinais e aromáticas.

Finalmente, deve-se destacar a importância destas técnicas de cultura de células e tecidos

vegetais para a conservação do germoplasma, tanto das espécies cultivadas como das espécies

selvagens. A conservação da biodiversidade é importante não só do ponto de vista do melhoramento

agronômico como do farmacológico, já que a maioria dos medicamentos de que dispomos contém

princípios ativos extraídos de plantas.

A DIFUSÃO DA TECNOLOGIA

As técnicas de cultura in vitro de vegetais foram rapidamente assimiladas por empresas e instituições

de pesquisa e desenvolvimento, porque facilitam o melhoramento genético das variedades

comerciais e, também, porque representam uma etapa indispensável na obtenção de uma planta

transgênica.

Sendo técnicas de domínio público, relativamente simples e de baixo custo, numerosas

empresas as utilizam no mundo todo para garantir a qualidade genética e fitossanitária das mudas e

sementes comercializadas. Em Cuba, por exemplo, o IBP (do espanhol, Instituto de Biotecnologia de

las Plantas) tem desenvolvido, junto com outros centros científicos, protocolos para batata, cana-de-

açúcar, plátano, banana, goiaba, abacaxi, maracujá etc. O IBP está associado a uma rede de 15

biofábricas com capacidade de produzir 60 milhões de plântulas in vitro e sementes artificiais.

Esta tecnologia está amplamente difundida na América Latina, onde representa o segundo

produto mais comercializado da biotecnologia agrícola, com ampla difusão na olericultura, na

hortifruticultura, na floricultura e na propagação de plantas ornamentais, assim como na produção

de plantas de interesse industrial (cana, café) e de mudas de essências florestais para as indústrias de

papel.


77

A CULTURA DE CÉLULAS ANIMAIS

A MANIPULAÇÃO IN VITRO DAS CÉLULAS ANIMAIS

Apesar dos primeiros estudos datarem de 1912, o cultivo de células animais só começou a se

desenvolver com sucesso na década de 1950, quando H. Eagle conseguiu definir os nutrientes

necessários para o crescimento celular (Tabela 7.2). Basicamente, um meio para o cultivo de células

animais inclui água, sais minerais, aminoácidos, vitaminas, glicose, soro humano ou de cavalo

(fatores de crescimento), antibióticos (para prevenir as contaminações microbianas). As células

devem ser isoladas, inoculadas e mantidas assepticamente em condições bastante estritas de

temperatura (350 a 370 C), pH e umidade.

TABELA 7.2. Os componentes de um meio de cultura básico para células animais.

COMPONENTES CARACTERÍSTICAS E EXEMPLOS

Água Desmineralizada, destilada.

Fonte de carbono Glicose.

Substâncias inorgânicas NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2. 6H2O, NaH2PO4.H2O, NaHCO3.

L –aminoácidos Arginina, cistina, fenilalanina, glutamina, histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano, tirosina, valina.

Vitaminas Biotina, ácido fólico, colina, nicotinamida, ácido pantotênico, piridoxal, riboflavina, tiamina.

Misturas de substâncias pouco definidas

Soro animal de diversa origem, inclusive humano.

Outros Antibióticos (penicilina, estreptomicina) e vermelho de fenol (pH 7,2-7,4).

AS APLICAÇÕES DA CULTURA IN VITRO DE CÉLULAS DE MAMÍFEROS

Uma das primeiras aplicações é a cultura de linfócitos, que fornece em poucos dias um número

adequado de células para a análise do cariótipo. Este visa detectar as alterações cromossômicas

estruturais e numéricas que possam ser a causa de distúrbios no funcionamento do organismo.

Os linfócitos extraídos do paciente são colocados em um meio líquido que induz a divisão

celular. A adição de colchicina inibe a formação das fibras do fuso mitótico, bloqueando as células na

metáfase. Um choque hipotônico provoca a lise das células e libera os cromossomos (Figura 7.7 A).

Mas há outros tipos de células de mamíferos que também se cultivam in vitro. Células isoladas

a partir de fibroblastos ou de tecido epitelial se multiplicam na superfície de um suporte inerte

(vidro, plástico etc.), formando uma monocamada. Mediante a transferência de algumas células a um

meio novo (repiques), uma cultura primária gera sucessivas culturas secundárias (Figura 7.7 B).

Entretanto, à diferença dos microrganismos que podem ser repicados indefinidamente, as

células animais sofrem um tipo de morte programada (apoptose) depois de aproximadamente umas

cinquenta a cem divisões. Deve-se então reiniciar o cultivo com uma nova amostra. Existem algumas

exceções que escapam dessa limitação, como as células extraídas de tumores ou as células-tronco; e

também os linfócitos B imortalizados por infecção com o vírus de Epstein-Barr ou por fusão com

células de mieloma (hibridomas).


78

FIGURA 7.7. As culturas de células de origem animal.

A. Etapas da cultura de leucócitos para a análise do cariótipo.

B. Etapas da cultura de células a partir de um fragmento de tecido.

TABELA 7.3. Origem e utilização de algumas linhagens celulares.

CÉLULAS ORIGEM APLICAÇÕES

HeLa(*) Carcinoma cervical humano Pesquisa

MDCK Rim de cachorro Produção de vacinas veterinárias

3T3 Tecido conjuntivo de camundongo Técnicas laboratoriais

Nawalwa Linfoma humano -interferon

WI-38 Pulmão embrionário humano Produção de vacinas humanas

VERO Rim de macaco verde africano Produção de vacinas humanas

MRC-5 Pulmão embrionário humano Produção de vacinas humanas

(*) Henrietta Lacks, morreu aos 31 anos de um carcinoma uterino. A linhagem de células HeLa isolada na época

continua sendo cultivada há mais de 50 anos.

Amostra de sangue com anticoagulante

Separação dos leucócitos por centrifugação

Cultivo dos leucócitos

Adição de colchicina e lise celular

Fixação e coloração (bandeamento)

OBSERVAÇÃO E COMPARAÇÃO

Suspensão Cultura Cultura celular primária secundária

Meio de cultivo

Repique

Desagregação mecânica ou enzimática

(tripsina, colagenase)


79

Nas Coleções de Culturas se encontram linhagens celulares de diversos tipos, conservadas por

criopreservação (Tabela 7.3). A cultura in vitro de células animais é a rota seguida para a manufatura

em grande escala de vários produtos, tais como as vacinas e os anticorpos monoclonais. Também é

adequada para a produção de citocinas (linfocinas, interferons, eritropoietina) e de outras proteínas

de origem recombinante (fator ativador de plasminogênio, p.ex.) que, por exigir modificações pós-

traducionais complexas, não podem ser produzidas em bactérias ou leveduras transformadas.

Na hora de passar da escala do laboratório à escala industrial, algumas considerações devem ser

levadas em conta. A cultura de células animais exige, além de um cuidado extremado, meios de

cultivo complexos e caros, desenvolvendo-se em condições muito rigorosas. Como as células se

dividem lentamente (a cada 20 horas aproximadamente), a assepsia deve ser mantida durante

períodos prolongados. As concentrações celulares são baixas, o que diminui a produtividade e a

rentabilidade do processo. A demanda de oxigênio é alta e as células são muito frágeis e sensíveis ao

cisalhamento.

Enquanto algumas células podem crescer livremente em suspensão, como os linfócitos, outras

só crescem se houver um suporte. No biorreator, este problema pode ser resolvido de diversos

modos: mediante o confinamento das células dentro de membranas semipermeáveis, imobilização

em géis ou cápsulas ou fixação sobre suportes, tal como pequenas partículas de 100 a 400 m em

vidro, plástico ou dextrina, em modelos de fermentadores análogos aos representados no capítulo

anterior.

Biorreatores de tamanho pequeno (até 15 l) e processos descontínuos apresentam menos

problemas de contaminação, já os de maior tamanho (até 1.000 l) exigem a substituição da agitação

mecânica por sistemas de tipo air lift ou leito fluidificado. Evita-se a apoptose ou morte celular

renovando periodicamente parte do meio para retirar os produtos excretados.

Nos últimos anos, as técnicas de cultura in vitro de células animais deram um amplo impulso às

pesquisas básicas e aplicadas, aos testes de diagnóstico, às técnicas de fertilização in vitro, à

produção de compostos biológicos (proteínas recombinantes), de tecidos para transplante e de

vacinas para uso humano e veterinário. Nos estudos toxicológicos, esta tecnologia substitui, ao

menos parcialmente, a experimentação com animais, uma atividade que suscita forte resistência na

sociedade devido aos questionamentos éticos levantados.

Estima-se que o mercado gerado pela venda de meios de cultivo, soros e reagentes chegará a

US$ 3,4 bilhões em 2013.


80

8. A TECNOLOGIA DO DNA



AS FERRAMENTAS DISPONÍVEIS

A tecnologia do DNA engloba uma série de procedimentos para extrair, fragmentar, sintetizar,

marcar, identificar, amplificar e sequenciar o DNA. Estas técnicas foram desenvolvidas ao longo de

uma década (1985-1995), constituindo hoje um conjunto de ferramentas que é utilizado

rotineiramente nos laboratórios, geralmente em sistemas automatizados especialmente desenhados

para efetuar rapidamente um número altíssimo de operações.

A extração de DNA é um procedimento relativamente simples. De um modo geral, a quebra de

paredes e membranas libera o conteúdo celular, do qual se eliminam o RNA e as proteínas antes de

separar o DNA, que se precipita com etanol. Uma vez extraído e purificado o DNA, diversos tipos de

tratamento são possíveis.

Pelo menos uma trintena de empresas já comercializa diferentes tipos de kits para a extração de

ácidos nucleicos, substituindo os protocolos tradicionais por sistemas mais fáceis de automatizar.

Estima-se que este mercado alcance um valor de US$ 158 bilhões, em 2014.

AS NUCLEASES OU ENZIMAS DE RESTRIÇÃO

Entre as numerosas enzimas utilizadas diariamente nos laboratórios, as nucleases merecem atenção

especial. Estas enzimas quebram as ligações entre os nucleotídeos de uma cadeia de DNA; algumas

começam pelas extremidades eliminando-os um a um; outras cortam a molécula por dentro.

Pertencem a este último grupo as “enzimas de restrição”, que são capazes de cortar o DNA em sítios

específicos.

Normalmente, as enzimas de restrição são produzidas por bactérias, como uma arma de defesa

contra o ataque de vírus (bacteriófagos), já que ao cortar o DNA viral impedem sua multiplicação. O

DNA bacteriano não é atacado por suas próprias enzimas, seja porque não possui as sequências

correspondentes, seja porque estas estão camufladas pela adição de um grupo metila.

Desde sua descoberta por Werner Arber, na década de 1960, já foram isoladas centenas de

enzimas de restrição. Todas elas agem como tesouras químicas que cortam o DNA ao reconhecer,

como os seus pontos-alvo, determinadas sequências de 4 a 8 bases.

Por exemplo, a enzima EcoRI, cujo nome deriva de "Escherichia coli linhagem RY13 (R), primeira

endonuclease a ser descoberta I" corta o DNA em dois pedaços com pontas lascadas: as setas

indicam o ponto de corte. Observe-se a existência de um palíndromo, isto é de uma sequência que

pode ser lida do mesmo modo (GAATTC) nos dois sentidos (5’- 3’ ou 3’- 5’), de forma análoga a frases

como “Amor a Roma”. Assim como há enzimas que cortam o DNA, outras colam os fragmentos

(ligases).


82

FIGURA 8.1. A eletroforese do DNA.

FIGURA 8.2. Os polimorfismos de restrição.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 8: A tecnologia do DNA

83

A ELETROFORESE DO DNA

A eletroforese separa os fragmentos de DNA obtidos com uma enzima de restrição. As amostras são

colocadas em um gel no qual se aplica um campo elétrico. Os fragmentos de DNA carregados

negativamente se movimentam na direção do pólo positivo. Ao encontrar uma resistência menor, os

fragmentos menores migram mais rapidamente (Figura 8.1).

O poder de separação varia com o suporte (gel de agarose ou de poliacrilamida) e com o

tamanho do poro, que depende da concentração do meio. Também varia com as características do

campo elétrico aplicado. Os fragmentos de restrição formam bandas que podem ser observadas na

luz ultravioleta, após coloração com uma substância fluorescente. Fragmentos de tamanho

conhecido inseridos no gel, à maneira de uma régua molecular, servem como padrão de comparação

para estimar o tamanho das bandas do DNA analisado.

Uma das primeiras aplicações da eletroforese dos fragmentos de restrição foi o estudo dos

polimorfismos. A modificação do sítio de restrição de uma molécula de DNA (como, por exemplo, de

GAATTC para GAACTC) origina fragmentos de tamanhos diferentes, denominados RFLPs ou rifleps

(do inglês, restriction fragment length polymorphism). Os RFLPs são marcadores que podem ser

estudados do mesmo modo que um gene que determine um caráter visível ou uma modificação

bioquímica (Figura 8.2).

Uma mutação pode gerar dois alelos diferentes, A1 (nenhum sítio de restrição) e A2 (um sítio de

restrição). Na eletroforese, o DNA dos indivíduos A1A1 será visualizado como uma banda, o de A1A2

como três bandas e o de A2A2 como duas bandas.

HIBRIDIZAÇÃO E SONDAS GÊNICAS

Quando o DNA é colocado em determinadas condições de temperatura, pH ou concentração salina,

os dois filamentos da hélice se separam. A dissociação se deve à quebra das pontes de hidrogênio

entre as bases complementares. Voltando às condições iniciais, essas ligações se restabelecem e os

filamentos se associam novamente.

A reação de hibridização também ocorre entre filamentos de DNA ou de RNA de diferentes

origens e tamanhos, sempre que houver algumas sequências complementares. Em função desta

propriedade se constroem filamentos simples, geralmente marcados radiativamente, de DNA ou RNA

de sequência conhecida. Estes se usam como sondas para reconhecer a presença de uma sequência

complementar em um cromossomo ou em um fragmento de DNA (Figura 8.3).

FIGURA 8.3. Hibridização de uma sonda com a sequência complementar.


84

FIGURA 8.4. O método de Southern.

A sonda identifica a homozigose de I (sem sítio de restrição) e de III (com sítio de restrição) e a heterozigose de

II (um filamento sem sítio de restrição e o outro com sítio de restrição).

FIGURA 8.5. O polimorfismo de uma sequência de vinters (VNTRs).

A. Número de VNTRs presentes no mesmo B. Separação dos fragmentos de restrição

fragmento de restrição, em 3 indivíduos (eletroforese)

Três amostras de DNA de diferente origem + enzima de restrição.

Os fragmentos de restrição são separados por eletroforese. O DNA é desnaturado e os fragmentos unifilamentares transferidos a uma membranade nitrocelulose. Acrescenta-se uma sonda unifilamentar complementar ao gene procurado. Esta hibridiza com o fragmento portador da sequência complementar. Depois de lavar, para eliminar o excesso de reagente, coloca-se sobre o filtro um filme sensível à radiatividade.

1. Preparação dos fragmentos de restrição 2. Eletroforese 3. Transferência 4. Sonda radiativa 5. Autorradiografia


85

O MÉTODO DE SOUTHERN

Em 1975, E.M. Southern descreveu um método para analisar fragmentos de restrição, utilizando

sondas de DNA. Uma vez separados os fragmentos por eletroforese, transferem-se os fragmentos a

uma membrana de náilon ou de nitrocelulose. A hibridização de uma sonda radiativa com o seu alvo

é registrada em um filme apropriado (Figura 8.4).

O método, denominado Southern blotting, tem sido utilizado para diagnóstico de doenças

genéticas, algumas das quais são causadas por mutações que, ao eliminar ou criar um sítio de

restrição, modificam o padrão de bandas.

Métodos análogos foram desenhados para estudos de RNA (Northern blotting) e de proteínas

(Western blotting). Observe-se que, no primeiro caso, a sonda pode ser um fragmento de ácido

nucleico, mas no segundo a sonda é um anticorpo específico.

O FINGERPRINT

Descrita por A. Jeffreys em 1985, uma variante do método de Southern focaliza as regiões do

genoma que não se expressam, acumulando mutações que conferem a cada indivíduo uma

sequência única (excetuando-se os gêmeos). Muitas delas representam sequências repetidas que

estão dispersas ao longo do genoma.

Denominadas VNTR ou vinters (do inglês variable-number tandem repeats) estas sequências se

repetem um número de vezes que pode variar de um cromossomo ao seu homólogo. Sendo assim,

os fragmentos de restrição correspondentes terão um tamanho diferente, o que pode ser visualizado

por eletroforese (Figura 8.5).

Ao aumentar o número de sondas para o reconhecimento de outros tipos de VNTRs, obtém-se

um padrão de bandas individual, parecido com o código de barras do comércio. Assim como as

impressões digitais identificam as pessoas, as sondas revelam a identidade genética de cada um de

nós. O procedimento, não por acaso chamado de Fingerprint, encontrou rápida aplicação tanto na

investigação de paternidade (ou maternidade), como na identificação policial ou forense.

A SÍNTESE E AMPLIFICAÇÃO DE DNA

Síntese de oligonucleotídeos

A síntese de oligonucleotídeos de DNA e RNA se desenvolve hoje em máquinas automatizadas

(sintetizadores) capazes de construir, em poucos minutos, moléculas com dezenas de pares de bases

(Figura 8.6). Estes oligonucleotídeos podem ser utilizados como sondas ou como primers para a PCR

(ver um pouco mais adiante).

Síntese de cDNA

Uma enzima de origem viral transcreve a informação genética no sentido RNA DNA. Esta enzima,

denominada transcriptase reversa, normalmente garante aos vírus com genoma de RNA sua

multiplicação no hospedeiro (como o HIV, por exemplo).

O rRNA e os tRNAs podem ser isolados facilmente devido a seu tamanho; o mRNA, por sua vez,

deve ser isolado dos tecidos onde se expressa. O mRNA da proteína da seda ou fibroína, por

exemplo, se extrai das glândulas salivares do bicho-da-seda.Como ferramenta de laboratório, a

transcriptase reversa possibilita a construção de filamentos de DNA complementares (cDNA) a

qualquer molécula de RNA (Figura 8.7). Note-se que, diferente do gene original, não haverá íntrons

no cDNA reconstruído a partir de RNA.


86

FIGURA 8.6. A síntese de oligonucleotídeos.

FIGURA 8.7. A síntese de cDNA por transcriptase reversa.


87

FIGURA 8.8. A reação em cadeia da polimerase.

A. Os elementos necessários para a reação em cadeia da polimerase.

B. A amplificação do DNA.


88

A reação em cadeia da polimerase

A reação em cadeia da polimerase (Polymerase Chain Reaction ou PCR) é um procedimento que

permite obter milhões de cópias de DNA em poucas horas (Figura 8.8 A). Para isso, se precisa do DNA

que contenha a sequência que se deseja amplificar, de desoxinucleotídeos dos quatro tipos (dATP,

dTTP, dCTP e dGTP), de uma polimerase de DNA e dos primers correspondentes. Estes são pequenos

fragmentos sintéticos de DNA, complementares às extremidades da sequência-alvo, sendo

indispensáveis para que a polimerase comece a sintetizar o filamento de DNA.

A chave do processo é a DNA-polimerase, uma enzima estável a altas temperaturas que permite

à bactéria Thermus aquaticus sobreviver em águas termais. Atualmente, esta enzima se produz por

engenharia genética.

Em um ciclo pontuado por mudanças de temperatura, os filamentos de DNA são dissociados e

anelados com os primers, possibilitando que a polimerase sintetize o resto da sequência. Repetindo

muitas vezes o ciclo, gera-se em pouco tempo um número altíssimo de cópias que podem ser

utilizadas em qualquer tipo de análise (Figura 8.8 B).

Uma máquina de PCR pode desenvolver 25 ciclos em menos de uma hora, amplificando 105

vezes o fragmento de DNA. Uma das grandes vantagens da PCR é que não há necessidade de isolar

previamente o fragmento a ser amplificado, bastando conhecer as extremidades da sequência e

escolher os primers adequados. Desenvolvendo-se de forma totalmente automatizada, o

procedimento admite múltiplas variantes.

A empresa Cetus comprou de seu inventor, K. Mullis, a patente da PCR por U$S 10.000,

vendendo-a pouco tempo depois a Hoffmann-La Roche por U$S 300 milhões; hoje se trata de uma

técnica corriqueira em qualquer laboratório de Biologia Molecular e provavelmente nenhum dos dois

fez um bom negócio. Mais tarde, em 1993, Mullis recebeu o Prêmio Nobel pela invenção da PCR.

Como assinalado anteriormente em relação aos sintetizadores de oligonucleotídeos, uma das

chaves do êxito da PCR é o fato de ser um procedimento automatizado que se desenvolve em

máquinas rápidas e eficientes, resultado da integração da Biologia Molecular com a Informática e a

Eletrônica.

O sucesso da PCR se deve a sua extraordinária versatilidade, permitindo que seja utilizada, com

objetivos diversos, em campos tão diferentes como a agricultura, a medicina veterinária, os estudos

ambientais, os testes de diagnóstico e a medicina forense. Entre suas muitas aplicações, cabe citar

também os estudos antropológicos e evolutivos, tais como a extração de DNA de múmias egípcias,

de animais extintos como o quagga (um tipo de zebra) ou de insetos presos em âmbar 40 milhões de

anos atrás.

O SEQUENCIAMENTO DO DNA

Desenvolvido por F. Sanger em 1977, o sequenciamento de um fragmento de DNA é, também, um

procedimento de tipo iterativo, possibilitando a construção de máquinas capazes de realizar

rapidamente a tarefa (Figura 8.9). Um sistema automatizado permite identificar, na corrida

eletroforética, cada um dos quatro didesoxinucleotídeos, fornecendo diretamente a sequência do

fragmento sequenciado.

Uma vez determinada a sequência de várias amostras, inicia-se a montagem da informação

armazenada nos bancos de dados. Esta etapa se realiza em supercomputadores, exigindo um

tratamento matemático para ordenar as sequências, preencher as lacunas e verificar os dados.

Existem sequenciadores automatizados em que o gel é colocado nos capilares por um braço-

robô que acrescenta o DNA e efetua a limpeza depois da eletroforese. No ano 2000, tais braços

permitiam o tratamento de uma centena de amostras em 4 horas, sem exigir mais do que 15 minutos

diários de atenção humana.


89

1. Preparar numerosas cópias do fragmento a sequenciar (tamanho aproximado: 500 pares de bases)

2. Incubar a preparação com as substâncias necessárias para a síntese de filamentos

complementares e acrescentar alguns nucleotídeos, na forma didesoxi, marcados com substâncias fluorescentes de diferente cor.

3. Iniciar a síntese dos filamentos complementares que

será bloqueada quando, em vez de um desoxinucleotídeo, se incorpore um didesoxinucleotídeo, porque estes não formam ligações fosfodiéster.

4. Depois de vários ciclos teremos fragmentos de todos os tamanhos:

5. Os fragmentos são separados por electroforese. O sequenciador identifica cada um deles pela

fluorescência do nucleotídeo didesoxi incorporado e fornece a sequência.

FIGURA 8.9. O sequenciamento de um fragmento de DNA.


90

Calculava-se que, no auge do estudo do genoma humano, uma empresa ligada a Celera

(Biosystems Applied) mantinha os computadores funcionando dia e noite, chegando a gastar U$S

1.000.000 mensais com eletricidade.

Apesar de ter possibilitado o estudo de numerosos genomas, a partir de 2006 o método

automatizado de Sanger começou a ser considerado pouco eficiente, surgindo a necessidade de

desenvolver uma nova geração de tecnologias, mais rápidas e mais baratas.

Várias plataformas comerciais (Roche/454, Illumina/Solexa, Life/APG, Helicos Biosciences)

coexistem atualmente no mercado e numerosas empresas contam com tecnologias em diferentes

etapas de desenvolvimento e comercialização (IBM, Oxford Nanopore Technologies, Intelligent Bio-

systems, LaserGen Inc. e NABsys).

Em 2006, os métodos utilizados eram 500 vezes mais rápidos que os da década anterior. Hoje,

além de serem ainda mais velozes, as tecnologias de segunda geração tem derrubado os custos do

sequenciamento. Se em outubro de 2004, o custo do sequenciamento de 1 Megabase (1.000.000 de

pares de bases) era de US$ 1598,91, em julho de 2011 o preço era de US $ 0,12.

Em consequência temos uma enorme avalancha de dados, que possibilita estudos comparativos

e evolutivos de uma dimensão inimaginável alguns anos atrás. Também abre o caminho para estudos

sobre as diferenças genéticas que afetam a saúde e a doença.

OS ARRAYS

Em consequência do conhecimento acumulado sobre o genoma do homem e de outros organismos,

já podem ser estudados alguns aspectos relacionados com a expressão e a interação dos genes. Lidar

com um número enorme de informações demanda novos avanços tecnológicos, entre os quais a

construção de chips de DNA e microarrays.

Os microchips são pequenas placas de vidro, náilon ou sílica com centenas de sondas por cm2,

fixadas mediante diferentes tecnologias (robótica, fotolitografia). Coloca-se a amostra, marcada com

um corante fluorescente, sobre a placa; as moléculas complementares a alguma das sondas ficarão

grudadas, as restantes serão eliminadas na lavagem posterior. Os pontos onde ocorreu a hibridização

são identificados por varredura com um raio laser e um software apropriado para o tratamento da

informação (Figura 8.10).

Escolhem-se as sondas entre os genes codificadores de proteínas que se expressam na célula.

Desse modo, se excluem os genes que correspondem ao rRNA, aos tRNAs, às sequências de controle

e ao DNA extragênico. A escolha de sequências transcritas, denominadas ESTs (do inglês, expressed

sequence tags), aumenta as chances de detectar os genes que participam de alguma resposta

patológica.

Atualmente, a tecnologia é utilizada para diversos tipos de análise de DNA e RNA, como, por

exemplo:

o Determinar quais os genes ativados em um tecido, em um momento do desenvolvimento ou em um estado fisiológico, como o sono.

o Comparar as sequências de dois alelos, um deles normal e o outro associado a alguma patologia. o Determinar qual o medicamento adequado para um paciente. o Prever o risco de uma pessoa adoecer se ela for exposta a determinada substância etc.

Numerosas empresas fabricam arrays comercialmente; algumas estimam que em pouco tempo

serão construídos arrays do tamanho de uma moeda, contendo todo o genoma humano. É difícil

prever os alcances desta tecnologia tão promissora, mas os analistas estimam que, até 2012, o

mercado chegará a 1,47 bilhão de dólares por ano.

.


91

FIGURA 8.10. Fundamentos da tecnologia de arrays.

Se as sondas representarem ESTs, saberíamos que os genes representados por B7, C2, D4, E10, G8 e H5 estão ativados. O tamanho das sondas depende da tecnologia utilizada na construção do array. Observe-se que cada uma das sondas representadas no desenho corresponde a um conjunto de moléculas semelhantes.

A partir do mRNA extraído, se prepara o DNA, que é marcado com uma substância fluorescente

Microarray com as sondas (oligonucleotídeos de DNA) fixadas a um suporte Hibridização Eliminação do cDNA marcado que não emparelhar com nenhuma sonda Varredura (scanner) para detectar as sondas que hibridizaram com o cDNA Resultado: Houve complementação com As sondas B7, C2, D4, E10, G8 e H5


92

A BIOLOGIA SINTÉTICA

Com o desenvolvimento da genômica e a aparição de novas plataformas tecnológicas surge, na

interface entre a biologia e a engenharia, a biologia sintética. Trata-se de uma nova área de

conhecimento com finalidades práticas, que visa o desenho e a construção de sistemas biológicos

simplificados.

A síntese cada vez mais rápida de alguns genomas virais (hepatite C, 2000; poliomielite, 2002;

phi X 174, 2003) permitiu a construção e o patenteamento de uma bactéria parcialmente sintética

(Mycoplasma laboratorium) por pesquisadores do Instituto J. Craig Venter.

Em 2010, pesquisadores do mesmo Instituto obtiveram uma bactéria sintética, mediante a

introdução de unidades básicas de DNA de Mycoplasma mycoides em uma bactéria receptora de

outra espécie, Mycoplasma capricolum, e a eliminação posterior do genoma desta. A bactéria

sintética, denominada Synthia, se reproduz normalmente e leva sequências específicas que

confirmam sua origem artificial.

Moléculas de DNA sintetizadas automaticamente e associadas entre si como blocos de Lego são

os elementos fundamentais para construir genomas mínimos, capazes de cumprir funções

determinadas.

Com o objetivo de desenvolver a biologia sintética em benefício da humanidade e do planeta,

várias organizações (Biobricks Foundation, DIYBIO, SYNBIO etc.) e universidades (Harvard, MIT etc.)

promovem a criação de uma comunidade que compartilhe valores e normas de trabalho, mediante a

livre difusão de protocolos e sequencias biológicas standard que possam ser usadas, com segurança,

como blocos fundamentais. Esperam-se da biologia sintética avanços substanciais em medicina,

indústria, energia e meio ambiente.

9. A ENGENHARIA GENÉTICA



O NASCIMENTO DA BIOTECNOLOGIA MODERNA

A Genética e a Biologia Molecular se desenvolveram rapidamente ao término da Segunda Guerra

Mundial. Em um período de 25 anos, foram esclarecidos temas de enorme importância: a estrutura

dos ácidos nucleicos, o código genético, a ação dos agentes mutagênicos, a genética dos

microrganismos, a estrutura e a síntese das proteínas, a regulação gênica etc. É nesse contexto de

rápidos avanços que devemos situar as primeiras experiências que deram origem à tecnologia do

DNA-recombinante, também chamada de engenharia genética.

A utilização da palavra “recombinante” nos remete à recombinação gênica, um fenômeno que

ocorre normalmente durante a meiose, devido à permuta de fragmentos cromossômicos homólogos.

Mediante o corte e a união de pequenos pedaços de DNA, a engenharia genética cria novas

combinações de genes, pertencentes ou não a indivíduos de uma mesma espécie.

A engenharia genética é um instrumento valioso para o estudo dos genomas, a produção de

proteínas em organismos modificados geneticamente e a geração de organismos transgênicos com

propriedades novas.

AS PRIMEIRAS EXPERIÊNCIAS

Em 1972, na Universidade de Stanford (Califórnia), P. Berg conseguira associar o DNA de dois

microrganismos diferentes, formando uma molécula mista de DNA. Na mesma Universidade, Stanley

Cohen especializava-se na biologia dos plasmídeos microbianos, pequenas moléculas de DNA

circular, portadoras de alguns genes capazes de se replicar de maneira autônoma. E, na Universidade

de Califórnia (San Francisco), Herbert Boyer isolava a primeira das enzimas de restrição que corta o

DNA em fragmentos com pontas lascadas, uma característica que simplifica a tarefa de associar

(“colar”) os pedaços.

S. Cohen e H. Boyer se encontraram em uma conferência científica no Havaí. A ideia de uma

colaboração entre ambos teria surgido uma noite, diante da praia de Waikiki, em redor de

sanduíches e cervejas. As experiências conjuntas começaram assim que eles regressaram a seus

laboratórios em San Francisco.

Boyer dispunha da enzima de restrição EcoRI, Cohen de dois plasmídeos, um deles com um

gene de resistência a kanamicina (pSC102) e o outro com um gene de resistência à tetraciclina e um

sítio de restrição para EcoRI (pSC101). Na primeira experiência, os pesquisadores abriram o pSC101 e

inseriram fragmentos do pSC102, utilizando a enzima de restrição e uma ligase como “tesoura” e

“cola”. A seguir, eles introduziram este plasmídeo quimérico na bactéria Escherichia coli. A seleção

de clones resistentes a ambos antibióticos (tetraciclina e kanamicina) mostrou o sucesso do

experimento (Figura 9.1).

Boyer e Cohen repetiram a experiência, mas em vez de inserir no plasmídeo um pedaço de DNA

bacteriano, eles planejaram colocar um fragmento de DNA do sapo Xenopus laevis. Com esse

objetivo, selecionaram um gene codificador de rRNA no DNA do sapo e o inseriram no plasmídeo

pSC101. Introduzido o plasmídeo recombinante na bactéria Escherichia coli, esta começou a

sintetizar rRNA de Xenopus (Figura 9.2).

A extraordinária novidade do experimento está na transferência de genes de uma espécie para

outra bem distante na escala evolutiva; um fenômeno limitado na natureza a uma mesma espécie ou

a espécies muito próximas.


94

FIGURA 9.1. A experiência que deu origem à engenharia genética: cortar, colar, copiar.

Legenda

T: tetraciclina, Ts: sensível à tetraciclina, Tr: resistente à tetraciclina, K= kanamicina, Ks: sensível à kanamicina,

Kr: resistente à kanamicina, pSC101: plasmídeo de Stanley Cohen n0 101; pSC102: plasmídeo de Stanley Cohen

n0 102.

FIGURA 9.2. Sapobacter ou Bactosapo?

Com a entrada de um plasmídeo recombinante, com DNA de Xenopus, em uma bactéria, esta passa a sintetizar

algumas moléculas características de Xenopus.

Xenopus DNA de Xenopus Bactéria recombinante Moléculas de Xenopus

1. Preparação dos plasmídeos recombinantes

Bactérias T R

CORTAR COLAR Enzimas de restrição pSC 101 Bactérias T

S pSC 102

2. Transferência dos plasmídeos e seleção das bactérias recombinantes

Plasmídeos Bactérias T R K R recombinantes COPIAR OU CLONAR Multiplicar Bactérias T S K S Meio de cultivo com tetraciclina e kanamicina

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 9: A engenharia genética

95

MITOS E REALIDADE

As infinitas possibilidades da tecnologia do DNA-recombinante despertaram alguns dos antigos

mitos. Por desobedecer a Zeus, entregando o fogo ao homem, Prometeu sofreu o terrível castigo de

ser acorrentado a uma montanha e ter o fígado devorado por uma águia. Instrumento da vingança

divina, Pandora abrira a caixa da qual saíram todos os males da humanidade. A ambiguidade da nova

biotecnologia, com os seus desafios e promessas, costuma ser representada nas duas faces de Janus,

um rei com o dom de ver simultaneamente o passado e o presente.

Em 1974, P. Berg e mais nove pesquisadores publicaram uma carta nas revistas científicas

Science, Nature e Proceedings of the National Academy of Science, alertando os colegas sobre os

possíveis riscos da nova tecnologia e pedindo uma moratória sobre os experimentos com DNA, até

serem estabelecidos os cuidados e salvaguardas necessárias. Considerando que “o uso desta

tecnologia apresenta vários riscos possíveis porque novos tipos de organismos, alguns deles

potencialmente perigosos, podem ser introduzidos no ambiente, se não existirem os devidos

controles”, o National Institute of Health (NIH) formou o Recombinant DNA Advisory Committee

(RAC).

Em 1975, a conferência de Asilomar (Monterrey, Califórnia), reunindo 139 pesquisadores de 17

países, classificou os experimentos em função do risco (baixo, médio ou alto), pedindo a suspensão

dos experimentos de alto risco enquanto não se determinassem quais as formas de contenção

adequadas, tanto físicas como biológicas. Enfatizava-se também a necessidade de trabalhar com

microrganismos enfraquecidos, incapazes de sobreviver fora do laboratório.

Em 1976, o RAC publicou um conjunto de normas de trabalho que, além de revisadas

periodicamente, devem ser seguidas por todos os pesquisadores e instituições que recebam dinheiro

do NIH para pesquisas com DNA-recombinante.

Com base nos trabalhos publicados em 1973, a Universidade de Stanford obteve uma patente

que lhe rendeu U$S 300 milhões, divididos com a Universidade da Califórnia em San Francisco. A

Universidade de Stanford licenciou o uso da tecnologia a mais de 400 empresas, entre as quais

Amgen, Eli Lilly, Genentech, Johnson & Johnson e Schering Plough. Qual o invento patenteado? O

processo ou ferramenta biotecnológica que consiste em inserir um DNA exógeno em um plasmídeo

bacteriano e este em uma bactéria, que se transforma assim em uma fábrica capaz de reproduzir

esse gene em quantidades ilimitadas.

Nesta breve recapitulação do nascimento da Biotecnologia moderna, vale destacar a

preocupação com a segurança, mostrada oportunamente pelos pesquisadores e as instituições

científicas envolvidas. Não há na história da ciência ou da tecnologia um episódio de

responsabilidade coletiva comparável ao da Conferência de Asilomar. Paralelamente a sua

exploração comercial, a engenharia genética é utilizada atualmente em centenas de laboratórios de

universidades e institutos de pesquisa. E mais de trinta anos depois não há registro ou relato de

nenhum acidente relacionado com essa tecnologia. Talvez valha a pena lembrar que Prometeu foi

liberado depois de 30 anos, e que bem no fundo da caixa de Pandora estava a esperança.

Fragments of amplified Xenopus laevis DNA, coding for 18S and 28S ribosomal RNA and generated by EcoRI restriction endonuclease, have been linked in vitro to the bacterial plasmid pSCl01; and the recombinant molecular species have been introduced into E. coli by transformation. These recombinant plasmids, containing both eukaryotic and prokaryotic DNA, replicate stably in E. coli. RNA isolated from E. coli minicells harboring the plasmids hybridizes to amplified X. laevis rDNA. Extraído de: Replication and Transcription of Eukaryotic DNA in Escherichia coli (MORROW J.F., COHEN S.N.,

CHANG A.C. Y., BOYER H.W., GOODMAN H.M.E R.B. HELLING. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 71:5, 1974


96

FIGURA 9.3. A construção de bibliotecas de genes.

A triagem dos clones pode ser feita reconhecendo a "etiqueta" representada por uma sequência conhecida no

DNA (STS, ou sequence tagged site; ESTs, ou expressed sequence tagged); no caso do gene se expressar, a

triagem também pode ser feita com anticorpos específicos para a proteína sintetizada.


97

AS BIBLIOTECAS DE GENES

O enorme tamanho de um genoma dificulta tanto o mapeamento como a localização de um gene.

Uma forma de facilitar a manipulação é extrair o DNA de um organismo determinado, cortá-lo com

enzimas de restrição, inserir os fragmentos em plasmídeos e introduzir os plasmídeos recombinantes

em bactérias. Cada bactéria formará um clone e cada clone levará um fragmento do genoma do

organismo estudado. O conjunto de clones representa o genoma inteiro de um organismo,

constituindo uma biblioteca genômica (Figura 9.3).

Boa parte do DNA é “lixo” e não leva genes. Por isso, um procedimento alternativo é a

montagem de uma biblioteca gênica, incluindo exclusivamente os genes que se expressam, ou seja,

os genes responsáveis pela síntese de proteínas. Separa-se o mRNA codificador, e, com a enzima

transcriptase reversa, se constroem as moléculas correspondentes de cDNA. Inserem-se estas em

plasmídeos, e os plasmídeos em bactérias. Com este procedimento, obviamente, o número de clones

na biblioteca será menor (Figura 9.3).

De fato, o número de clones depende não só do número de genes como do tamanho do

fragmento que o vetor pode carregar. Como os plasmídeos bacterianos e o bacteriófago só

transportam fragmentos pequenos de DNA de 10 kb a 20 kb, outros vetores genéticos foram

especialmente desenhados para carregar fragmentos maiores (cosmídeos, YACs ou yeast artificial

cromossomes, BACs ou bacterial artificial chromossomes, transposons etc.).

A construção de bibliotecas de genes representa o primeiro passo para o mapeamento de um

genoma. Ao sequenciamento dos fragmentos segue a montagem da informação. Trata-se de uma

etapa complexa em que se alinham as sequências, se preenchem lacunas e se verificam os dados. O

tratamento matemático das informações demanda algoritmos sofisticados e computadores

poderosos. Uma vez organizada a sequência, esta é armazenada em bancos de dados. O usuário tem

acesso através da Internet, mediante programas especializados que acumulam uma enorme

quantidade de informações.

A CONSTRUÇÃO DE UM MICRORGANISMO RECOMBINANTE

Uma das primeiras proteínas de origem recombinante foi a somatotropina ou hormônio de

crescimento. Como a enzima de restrição eliminava do cDNA, além da sequência codificadora do

peptídeo-guia, os nucleotídeos correspondentes aos primeiros aminoácidos da molécula, estes

tiveram que ser acrescentados quimicamente, em um processo extremamente engenhoso (Figura

9.4).

A transferência de um gene de uma espécie permite obter microrganismos que sintetizem

alguma substância diferente, geralmente visando o cultivo em grande escala. O gene de interesse

costuma ser selecionado e estudado na bactéria de laboratório Escherichia coli e, posteriormente,

transferido à espécie na qual se pretende produzir a proteína correspondente.

Além de Escherichia coli e de Saccharomyces cerevisiae, existem vários outros microrganismos

que são habitualmente utilizados como hospedeiros: Bacillus subtilis, Picchia pastoris, Pseudomonas,

Streptomyces, Aspergillus nidulans, Neurospora crassa etc. Estes microrganismos são utilizados na

produção de fármacos (insulina, hormônio de crescimento, vacinas) ou de enzimas (quimosina) e,

também, na degradação de poluentes.


98

FIGURA 9.4. A produção de somatotropina por engenharia genética.

FIGURA 9.5. Algumas estratégias possíveis de clonagem.

Biblioteca genômica Biblioteca gênica

Identificação do clone com o gene que se procura

Síntese in vitro

Clonagem e subclonagem Reação em cadeia

em Escherichia coli da polimerase (PCR)

Transferência a outro organismo,

visando a expressão do gene

O sinal correspondente ao peptídeo-guia é removido do cDNA com a enzima de restrição Hae III, que remove também 72 bases, codificadoras dos primeiros 24 aminoácidos da molécula. cDNA de somatotropina Fragmento de DNA sintético com as 72 bases correspondentes aos 24 primeiros aminoácidos União dos dois fragmentos de DNA Inserção em um plasmídeo

Plasmídeo recombinante

Transformação

Transcrição e tradução do gene

SOMATOTROPINA


99

ENCONTRAR O GENE

De um modo geral, encontrar um gene equivale a procurar agulha em palheiro. O gene pode ser

localizado por triagem dos clones de uma livraria gênica ou genômica (Figura 9.3). Se esta não existir,

pode ser necessário construí-la, em uma primeira rodada de clonagem, para encontrar o gene de

interesse.

A segunda dificuldade está na obtenção de numerosas cópias desse gene. Uma solução é a

multiplicação do clone correspondente e posterior isolamento do gene procurado. Outra é a

amplificação do gene mediante a PCR, sempre que se conheçam as sequências iniciais e finais ou,

eventualmente, as sequências adjacentes à região onde está inserido. Se a sequência do gene for

conhecida e relativamente curta, podem-se construir cadeias curtas de oligonucleotídeos e associá-

las, formando um gene sintético que será amplificado por PCR. Existem numerosas estratégias, que

dependem do caso e, também, das características e possibilidades do laboratório (Figura 9.5).

Seja qual for o caminho seguido, uma vez que as cópias do gene de interesse forem obtidas,

estas terão que ser transferidas ao hospedeiro definitivo.

INSERIR O GENE

Vetores de expressão gênica

A transferência de um fragmento estranho de DNA se vê facilitada pela utilização de vetores. Um

vetor é uma molécula de DNA que se duplica de maneira autônoma dentro de uma célula,

carregando vários genes, entre os quais alguns marcadores que permitam reconhecer sua presença

dentro da célula. É no vetor que será inserido o fragmento de DNA estranho, para multiplicação ou

integração no genoma.

Além dos plasmídeos (bacterianos e de leveduras) e os bacteriófagos (, m13), também se

utilizam como vetores os transposons, que são elementos genéticos móveis capazes de pular de um

lugar a outro do genoma, espalhando ou não cópias. Construídos em função das necessidades,

existem hoje vetores bacterianos, vetores de leveduras e vetores bifuncionais que podem ser

utilizados tanto em bactérias como leveduras.

As primeiras experiências de Engenharia Genética foram feitas na bactéria Escherichia coli, um

microrganismo muito conhecido e fácil de se cultivar no laboratório. Porém, Escherichia coli não é o

organismo ideal para a expressão de genes eucarióticos. Células procarióticas e eucarióticas diferem

em relação ao processamento do mRNA e às modificações das proteínas depois da tradução. Por

este motivo, quando se procura expressar genes de mamíferos, Escherichia coli é substituída por

outras células eucarióticas, como a levedura Saccharomyces cerevisiae, um fungo utilizado há séculos

na produção de alimentos e bebidas.

Para que um gene se expresse em uma célula hospedeira, é necessário que esta reconheça seus

próprios sinais de expressão. Para poder sintetizar uma proteína exógena, a célula deverá ler a

sequência codificadora com seus próprios sinais de transcrição (promotor) e de tradução (sítio de

ligação com o ribossomo, término de leitura).

O ideal é construir um vetor que já contenha os genes marcadores para seleção ou

reconhecimento, os sítios de restrição, uma sequência promotora e os sinais adequados de início e

fim da transcrição. Ao colocar a sequência codificadora da proteína, o vetor funciona como um

“cassete” de expressão (Figura 9.6).


100

Outros fatores adicionais intervêm na construção de um vetor de expressão. Um promotor

forte, por exemplo, permitirá sintetizar uma quantidade grande de proteína, o que será interessante

comercialmente se esta for uma enzima. Entretanto, se a proteína em questão for uma toxina que

possa afetar o hospedeiro, será preferível escolher um promotor fraco. Uma possibilidade

interessante é a utilização de um promotor que responda a um fator externo controlável (substrato,

temperatura), de maneira tal que o gene possa ser ligado ou desligado no momento que se

considere conveniente.

Finalmente, também deve ser considerado o destino da proteína dentro da célula; se esta for

secretada haverá que acoplar na construção gênica um gene de sinalização, que a leve até a

membrana celular.

FIGURA 9.6. A estrutura de um vetor de expressão.

Este deve incluir os elementos genéticos da célula hospedeira para a transcrição e tradução.

Transformação e transfecção

Existem diversos métodos para inserir o DNA recombinante dentro da célula. Facilita-se a entrada do

DNA com algumas manipulações, tais como a adição de CaCl2 no meio e/ou a modificação da

temperatura. A aplicação de forças elétricas também aumenta as chances do DNA penetrar na célula,

ao abrir os poros da membrana (eletroporação).

Os plasmídeos atravessam a membrana celular em um processo denominado transformação,

que ocorre em determinadas condições fisiológicas da célula hospedeira. Em se tratando de vetores

virais, a infecção da célula promove a entrada do DNA exógeno dentro da célula. Fala-se neste caso

de transfecção (transformação + infecção).

A tecnologia do DNA-recombinante está baseada em fenômenos que ocorrem em frequências

muito baixas. A existência de métodos de seleção eficientes possibilita detectar e recuperar aquelas

células que incorporaram um gene estranho.

Associa-se o gene estranho a um marcador seletivo como, por exemplo, um gene de resistência

a algum antibiótico. Em presença deste, só poderão se multiplicar e formar clones ou colônias as

células que incorporaram ambos os genes. Entretanto, o uso de genes de resistência a antibióticos é

considerado polêmico, porque existe uma possibilidade remota dos genes serem transferidos das

bactérias transformadas para as bactérias do ambiente.


101

IDENTIFICAR OS MICRORGANISMOS RECOMBINANTES

Também podem ser utilizados como marcadores seletivos os genes que codificam a síntese de um

aminoácido. Neste caso, a seleção do microrganismo recombinante ocorre em um meio sem esse

aminoácido.

Além dos marcadores seletivos, os pesquisadores contam com outro tipo de marcadores que

permite identificar as bactérias transformadas e, também, acompanhar a expressão de um gene no

organismo modificado. Destacam-se entre estes marcadores, ou genes repórteres: GAL e GUS,

respectivamente o gene da -galactosidase e o gene da glucuronidase que transformam o substrato

correspondente em um composto colorido; GFP, um gene da medusa Aequorea Victoria, que

sintetiza uma proteína fluorescente, verde brilhante na luz ultravioleta; LUC, o gene da luciferase,

uma enzima dos vaga-lumes, que emite luz em presença do substrato.

Métodos alternativos envolvem a identificação de uma proteína com anticorpos marcados ou o

reconhecimento de um gene por hibridização com uma sonda marcada.

A CONSTRUÇÃO DE PLANTAS TRANSGÊNICAS

As plantas transgênicas se originam via cultura in vitro a partir de células vegetais modificadas

geneticamente. Portadoras de um gene exógeno ou transgene, sua obtenção visa o melhoramento

das propriedades agronômicas e nutritivas dos vegetais e, também, sua utilização para produzir

substâncias novas (biofábricas).

O TRANSGENE

Para garantir a transferência de uma sequência gênica determinada, deve-se construir em redor uma

estrutura complexa que inclua também um gene marcador, um promotor e as sequências de leitura

adequadas (sequência terminal). Denomina-se transgene o conjunto formado pela sequência gênica

e a estrutura que o acompanha.

O promotor desencadeia a transcrição da sequência codificadora de interesse. Um promotor

constitutivo permitirá a expressão gênica na maioria dos tecidos e ao longo da vida da planta.

Também existem promotores que respondem a estímulos ambientais internos ou externos, como a

luz.

O gene marcador confere resistência a substâncias normalmente tóxicas para as células

vegetais, tais como os antibióticos ou os herbicidas, de modo que em um meio seletivo só

sobrevivam células que integraram o transgene.

A TRANSFERÊNCIA DOS GENES A CÉLULAS VEGETAIS

Agrobacterium tumefaciens é uma bactéria do solo, que leva um plasmídeo denominado Ti (do

inglês, Tumour induced plasmid). Quando infectadas com a bactéria portadora desse plasmídeo, as

plantas dicotiledôneas desenvolvem galhas, isto é, tumores característicos (crown gall).

A eliminação de alguns genes na região T do plasmídeo Ti conserva sua capacidade de inserção

no cromossomo da célula hospedeira, eliminando a propriedade de induzir tumores. Esta

característica transforma o plasmídeo em um vetor adequado para a transferência de genes de

outras espécies às células vegetais. Basta colocar o transgene na região T do plasmídeo previamente

desarmado para se obter um plasmídeo recombinante que poderá ser transferido novamente a

Agrobacterium ou a células hospedeiras, onde o transgene irá se inserir em algum lugar do genoma

(Figura 9.7).


102

FIGURA 9.7. A construção de uma planta transgênica no laboratório.

O plasmídeo Ti "desarmado" portando um gene exógeno é transferido a células de discos foliares. Formam-se

calos que poderão regenerar a planta inteira.

FIGURA 9.8. As etapas da construção de uma planta transgênica.

Transformação por engenharia genética

Regeneração mediante técnicas de cultura de tecidos

Caracterização molecular e bioquímica

Avaliação do valor agronômico

Melhoramento mediante cruzamentos com linhagens de elite

Obtenção de uma variedade transformada geneticamente

Experimentos e testes de campo, em pequena e grande escala

Autorização da legislação local

Liberação do cultivo para sua exploração comercial


103

As plantas monocotiledôneas (arroz, milho, trigo) não são infetadas por Agrobacterium, sendo

necessário recorrer a métodos físicos para a transferência de genes. Recorre-se à eletroporação,

assim como ao tratamento com uma substância que desestabilize a membrana plasmática

(polietilenglicol ou PEG). O método mais difundido provavelmente seja a biolística. Com um revólver

especial (gene gun) dispara-se microprojéteis de ouro ou tungstênio, recobertos de DNA, em direção

às células. O dispositivo possibilita a entrada do DNA exógeno no núcleo, nas mitocôndrias ou nos

cloroplastos. De um modo geral, a transformação se realiza em protoplastos, células em que a

parede celular foi eliminada com enzimas.

O PROBLEMA DOS MARCADORES SELETIVOS

O uso de marcadores de resistência a antibióticos na construção de plantas desperta vários

questionamentos, apesar de se tratar de antibióticos sem uso clínico e que já se encontram nas

bactérias do intestino. Estes marcadores podem ser substituídos, mas como sua utilidade se limita ao

processo de transformação, o melhor seria eliminá-los uma vez cumprida sua função. Já foram

desenvolvidas várias técnicas genéticas de remoção dos marcadores, esperando-se que nos próximos

anos sua retirada se transforme em uma prática corriqueira de laboratório.

DO LABORATÓRIO AO CAMPO

No laboratório, transfere-se a construção genética às células receptoras por algum dos métodos

possíveis (geralmente eletroporação, biolística ou uso de vetores, como o plasmídeo Ti de

Agrobacterium tumefaciens); a seguir se selecionam e recuperam as células transformadas e,

mediante as técnicas de cultura in vitro, se regeneram as plantas correspondentes (Figura 9.8). Note-

se que este trabalho costuma ser realizado em plantas cujo genótipo favorece a transformação e a

regeneração da planta transformada, mas que geralmente resultam pouco vantajosas do ponto de

vista agronômico.

A presença do transgene, assim como o número de cópias e o lugar em que estas se integraram

no genoma, é conferida mediante técnicas bioquímicas e/ou marcadores moleculares (polimorfismos

na molécula de DNA, repetição de sequências), porque são aspectos que podem influir na expressão

gênica. Considera-se alcançado o êxito quando o transgene se expressa no lugar correspondente e

com um adequado nível de atividade, restando por verificar a estabilidade da expressão gênica e o

seu valor agronômico.

Acabada a etapa de laboratório, iniciam-se os testes controlados em casa de vegetação, para

selecionar as plantas-mãe com as quais se originará várias gerações de retrocruzamentos seletivos

com alguma das linhagens “elite”. Os testes visam a obtenção de uma linhagem transgênica de alto

rendimento, adaptada a um contexto específico, isto é, um cultivar com uma produtividade potencial

parecida à da linhagem “elite” que expresse o traço codificado pelo novo transgene.

Conceitualmente, estes testes são semelhantes aos efetuados no processo de melhoramento

tradicional; no entanto, a utilização de marcadores moleculares e de técnicas de cultura in vitro

permite caracterizar a progênie bem mais rapidamente. Só então dá-se início à liberação planejada

no meio ambiente, que envolve o cultivo de plantas em experimentos protegidos e testes de campo

em diferente escala, até que o novo híbrido transgênico esteja pronto para o seu cultivo comercial. A

liberação do cultivo dependerá da autorização da legislação local, geralmente bastante restrita a esse

respeito.

No Brasil, a liberação depende da Comissão Nacional Técnica de Biotecnologia (CTNBio), uma

instância colegiada multidisciplinar que regula mas atividades que envolvam a construção,

experimentação, cultivo, manipulação, transporte, comercialização, consumo, armazenamento,

liberação e descarte de OGM e derivados.


104

CÉLULAS E ANIMAIS TRANSGÊNICOS

A TRANSFERÊNCIA GÊNICA A CÉLULAS ANIMAIS

Um dos objetivos da engenharia genética é a produção de proteínas recombinantes em culturas

celulares. Em relação aos microrganismos, a grande vantagem das células animais é possuir os

sistemas de transcrição e de processamento das proteínas indispensáveis para a expressão dos genes

de organismos superiores.

Observe-se que em relação às células animais a palavra transformação designa a conversão de

uma célula normal em maligna, sendo substituída por transfecção. O transporte de DNA exógeno

dentro da célula é assegurado por métodos físicos (eletroporação, microinjeção, ingestão de

micropartículas, fusão de lipossomos com a membrana plasmática) e por vetores (vírus, plasmídeos e

transposons).

A transfecção mediante vetores virais dos quais se eliminaram as sequências patogênicas,

interessa ao laboratorista porque os vírus animais infectam tecidos específicos e se integram no

genoma da célula hospedeira de maneira estável. Em mamíferos, os vírus utilizados mais

frequentemente como vetores são o SV40, a vacina, os retrovírus e os adenovírus. Células de inseto

também podem ser manipuladas geneticamente com vetores como os elementos P de transposição

de Drosophila, ou como o baculovírus, uma vez eliminado o gene que permite sua proliferação na

natureza.

Assim como visto anteriormente em relação aos microrganismos e às plantas, a sequência

codificadora é colocada em uma construção gênica bem definida que inclui um gene marcador para

selecionar as células que receberam o transgene. Utilizam-se como marcadores genes de resistência

a antibióticos, genes para características metabólicas (Tk ou timidina quinase) etc.

Para integrar a construção gênica no lugar desejado, se colocam nas extremidades sequências

de DNA homólogas às extremidades do segmento que se quer substituir. Como distinguir a

integração no lugar desejado (recombinação homóloga) da integração ocorrida em qualquer outro

lugar (recombinação não homóloga)? Acrescentando na construção gênica, um pouco mais longe das

sequências homólogas, um gene de “seleção negativa”. Se a célula o integrar em qualquer outro

lugar do genoma, ela se tornará sensível a um segundo antibiótico. Inversamente, se a célula for

resistente a este antibiótico, tendo recebido o marcador colocado dentro da construção gênica, isto

significa que houve integração no lugar desejado.

Os animais como modelos para a experimentação

A transfecção de células cultivadas in vitro permite que sejam verificados o sítio de integração do

transgene e o número de cópias inseridas. Uma aplicação interessante desta tecnologia na pesquisa

clínica é a construção de modelos animais para o estudo de doenças humanas.

Desse modo se obtiveram camundongos transgênicos para genes determinantes de algumas

doenças humanas, tais como câncer de mama (BRCA 1), doença de Huntington, anemia falciforme

etc. Estes animais são de grande utilidade para as pesquisas farmacológicas.

Os animais como biofábricas

A ovelha Dolly nasceu em 1996, depois de numerosas tentativas de transferir o núcleo de uma célula

mamária a um ovócito anucleado (Figura 9.9). Adorada pela mídia, o clone Dolly teve que ser

sacrificada em 2003 com um tumor no pulmão, artrite e sinais de envelhecimento precoce.


105

Poucos meses depois do nascimento de Dolly, o mesmo grupo do Instituto Roslin e de PPL

Therapeutics anunciou o nascimento de Polly, uma ovelha transgênica para o gene codificador do

fator IX, uma proteína que falta nos hemofílicos. O fato de ter-se utilizado para gerar Dolly uma

célula diferenciada mantida em cultivo teve uma importância enorme, porque células embrionárias

em cultura podem ser transfectadas e os seus núcleos transferidos para a obtenção de animais

transgênicos, como Polly.

Após a transfecção de células-tronco embrionárias com um gene desativado, realiza-se sua

transferência a blastócitos, que, reimplantados, originarão animais quiméricos, isto é animais com

células de dois tipos: umas em que o gene está ativado e outras em que não está ativado porque

incorporaram o transgene.

Dos cruzamentos entre quimeras com células germinais portadoras do gene desativado

nascerão animais homozigóticos com duas cópias do gene inativo (Figura 9.10). Esta estratégia é

utilizada não só para construir modelos animais com um gene inativo (knock out), como para colocar

um gene ativo (knock in). Mesmo sendo difícil de obter, um animal transgênico pode ser bem mais

interessante do ponto de vista econômico que o cultivo de células em biorreatores, um processo

complexo e de alto custo.

Na construção de animais transgênicos para a produção em grande escala de uma proteína

recombinante, escolhe-se habitualmente um promotor que se expresse na glândula mamária, de

modo que o produto gênico apareça no leite do animal. Cabras transgênicas produtoras de fator

ativador de plasminogênio (tPA), vacas produtoras de lactoferrina, somatotropina ou insulina já são

uma realidade. Chama-se Atryn o primeiro anticoagulante liberado comercialmente em 2009,

produzido a partir do leite de uma cabra transgênica pela empresa GTC Biotherapeutics.

FIGURA 9.9. Dolly, um clone obtido por transferência nuclear.


106

FIGURA 9.10. Construção de animais transgênicos.

A. Microinjeção.

Após a transfecção, se implantan os ovos em fêmeas receptivas (pseudográvidas). Aqueles que incorporaram o

transgene originarão, neste caso, animais de tamanho maior (supermouse).

B. Transfecção de células-tronco embrionárias.

Mediante a implantação do blastócito com células modificadas em uma fêmea aguti, são obtidos animais

quiméricos, com células que levam o caráter para pelagem marrom e células com o caráter para pelagem

preta. Do cruzamento entre quimeras, nascem alguns animais com pelagem preta, tendo incorporado o DNA

exógeno no genoma.


107

OS REBANHOS FARMACÊUTICOS

Algumas proteínas terapêuticas (somatotropina, insulina) são obtidas atualmente mediante o cultivo

de células animais ou de bactérias e leveduras recombinantes; no entanto, é provável que em um

futuro próximo estes agentes biológicos sejam substituídos por mamíferos transgênicos. A

modificação das técnicas de produção interessa à indústria farmacêutica porque elimina as

dificuldades inerentes à condução dos bioprocessos e à purificação dos produtos. Apesar do elevado

valor da inversão inicial, bastam poucos animais para se extrair uma quantidade grande de proteína

recombinante, com o qual seria possível baratear o seu preço. Já existem cabras produtoras do fator

ativador de plasminogênio (tPA) e vacas produtoras de lactoferrina, já próximos de ser

comercializados.

Biosidus, uma empresa argentina do Grupo de Empresas Farmacêuticas Sidus, iniciou as

experiências de clonagem de bovinos em 1997. Como as dificuldades técnicas são numerosas, muitas

tentativas tiveram que ser feitas até alcançar o êxito. Este chegou em 2002, com o nascimento de

Pampa, uma vaca da raça Jersey que é o primeiro clone bovino da América Latina. Uma vez

dominada a tecnologia, o passo seguinte era conseguir um animal que secretasse o hormônio de

crescimento humano (somatotropina) no leite.

Com esse objetivo, se elaborou uma construção gênica que incluía o gene codificador da

somatotropina e um promotor para sua expressão no leite. Esta construção foi inserida em

fibroblastos fetais. Da fusão destes fibroblastos com ovócitos anucleados resultaram embriões que

se implantaram em vacas portadoras. Em 2002, nascia Pampa Mansa, uma vaca clonada e

transgênica que um ano mais tarde começou a produzir leite com somatotropina. Estima-se que

bastariam três animais semelhantes para abastecer o mercado latino-americano.

A partir de fibroblastos da orelha de Pampa Mansa obteve-se uma dinastia de vacas, clones de

um clone. Em 2004, com o nascimento de Pampero, um touro transgênico resultante do cruzamento

entre Pampa Mansa e um animal reprodutor, a multiplicação dos animais passou a ser independente

da clonagem. O tambo farmacéutico está completo.

Em 2005, a empresa Biosidus obteve das autoridades a autorização para liberar um número

limitado de animais no meio ambiente agropecuário, em condições estritamente controladas. O

próximo passo será a aprovação do produto para o uso farmacêutico.

O projeto colocou a Argentina entre os países que dominam esta tecnologia, juntamente com

Estados Unidos, Alemanha, França, Japão, Reino Unido e Austrália. Além da participação pioneira de

Biosidus, o tambo farmacéutico demandou um investimento de US$ 7.000.000, a participação de

uma equipe multidisciplinar de 40 pesquisadores e a assessoria do CONICET (Consejo de

Investigaciones Científicas y Técnicas da Argentina). Biosidus contempla a ampliação do rebanho

para outras proteínas terapêuticas (Dinastia Patagônia produtora de pró-insulina humana, Dinastia

Portenha, produtora de hormônio de crescimento bovino).


108

10. BIOTECNOLOGIA E INDÚSTRIA



O PROCESSO WEIZMANN

Por ser o primeiro processo fermentativo industrial a se desenvolver em condições assépticas, o

processo Weizmann é considerado um marco histórico na biotecnologia industrial.

Ao longo do século XIX, dois acontecimentos decisivos transformaram a borracha natural em um

material estratégico para o crescimento da indústria automotora; em 1839, C. B. Goodyear descobriu

que a vulcanização lhe conferia elasticidade e resistência e, em 1888, J. Dunlop inventou os pneus. A

diminuição da oferta de borracha natural, proveniente do Brasil e das plantações inglesas na Malásia,

com o correspondente aumento do preço, desencadeou uma corrida à borracha sintética.

Enquanto a Alemanha tentava sintetizar a borracha a partir de um derivado do petróleo

(butadieno), a Inglaterra explorava as possibilidades de síntese de moléculas precursoras por

fermentação. Nesse contexto histórico, o químico de origem russa Chaim Weizmann desenvolveu, na

Universidade de Manchester (1914), um processo fermentativo no qual a bactéria Clostridium

acetobutilycum produz butanol (um precursor do butadieno) e acetona.

Com o início da Primeira Guerra Mundial, a atenção da Inglaterra desviou-se da borracha para a

produção de explosivos e, especialmente, de uma pólvora (cordite) à base de nitrocelulose em cuja

preparação se usa acetona como solvente. Como esta era sintetizada a partir de carbonato de cálcio,

uma matéria-prima importada da Alemanha, a produção de acetona por via química se tornou

inviável, e a Inglaterra começou a explorar a via biotecnológica.

Recrutado pelo Comitê de Munições e tendo cedido a patente do processo ao governo britânico,

Weizmann começou a produzir acetona por fermentação microbiana do amido de milho na

Nicholson Gin Distillery (Londres). Contudo, devido à guerra e à falta de alimentos, o suplemento de

carboidratos acabou se tornando o fator limitante da produção.

Em 1916 os britânicos transferiram a produção para uma destilaria em Toronto (Canadá), ao

tempo que era construída outra fábrica na Índia. Em 1917 começou a funcionar uma fábrica

produtora de acetona por fermentação do milho em Indiana (Estados Unidos). Uma vez finalizada a

guerra, a acetona e o butanol continuaram a ser utilizados como solventes.

Os caminhos da ciência, da tecnologia e da política se cruzaram mais uma vez. Químico e

jornalista, Weizmann chegou a ser um dos mais importantes líderes comunitários do movimento

sionista mundial.

Em 1948, ao finalizar o mandato conferido pela Liga das Nações à Grã Bretanha e a partilha da

Palestina, Weizmann foi escolhido primeiro presidente do Estado de Israel. O instituto de pesquisas

científicas e tecnológicas fundado em Rehovot (Israel) leva o seu nome. O processo Weizmann está

indissoluvelmente ligado à história do século XX.

A INDÚSTRIA QUÍMICA

A VIA QUÍMICA

A indústria química se caracteriza por produzir substâncias que atendem as necessidades de outras

indústrias. Enquanto algumas empresas sintetizam os derivados petroquímicos básicos (etileno,

propileno, butadieno), outras os transformam nos petroquímicos finais: polietileno (PE),

polipropileno (PP), policloreto de vinil (PVC), poliésteres e óxido de etileno. Um terceiro grupo

converterá esses materiais em objetos de consumo tais como filmes, recipientes, objetos diversos

etc.


110

As empresas devem responder às mudanças do mercado se ajustando rapidamente a qualquer

variação de preço da matéria-prima ou da energia. Para subsistir, uma indústria terá que reagir com

versatilidade, mediante o desenvolvimento de processos tecnológicos inovadores e rentáveis. Os

processos descartados poderão ser utilizados novamente, a condição de o mercado se tornar

novamente favorável.

Um exemplo típico é a evolução do mercado da acetona. Subproduto da corrida à borracha

sintética durante a Primeira Guerra Mundial, a acetona passou a ser um produto indispensável para a

indústria de armamentos. Uma vez concluído o conflito, reapareceu como solvente essencial na

fabricação de lacas, uma função de onde seria afastada mais tarde por outras substâncias.

A Indústria Química do século XX se baseou, principalmente, no petróleo e seus derivados.

Apesar da crise dos anos 1970 ter chamado a atenção da sociedade sobre os riscos da dependência

de um recurso não renovável, o petróleo ainda resulta competitivo. A situação poderá mudar em

meados do século XXI, com a diminuição das reservas conhecidas e a necessidade de apelar a

tecnologias de extração novas e caras.

A VIA BIOTECNOLÓGICA

A via biotecnológica está baseada na transformação da biomassa, um recurso barato e renovável.

Para substituir a via química, devem-se desenvolver processos que possibilitem a obtenção de

produtos, materiais e energia a um custo competitivo e com menor impacto ambiental. Todas estas

condições se encontram satisfeitas na obtenção de numerosas moléculas de interesse industrial a

partir de milho, de óleos vegetais ou de madeira (Tabela 10.1).

A Biotecnologia Industrial se fundamenta na microbiologia, nas fermentações e na biocatálise,

recebendo o impacto da biotecnologia moderna (genômica, engenharia metabólica, engenharia

genética) que abre perspectivas novas no melhoramento das linhagens microbianas e das variedades

vegetais.

A produção da vitamina B2 (BASF) e do antibiótico cefalexina (DSM Life Sciences Products) são

dois exemplos bem sucedidos da substituição da síntese química pela ação microbiana. Esta resultará

vantajosa sempre que existirem vários metabólitos intermediários entre o substrato inicial e o

produto final, porque um agente biológico será capaz de realizar diretamente a sequência completa

de reações.

TABELA 10.1. Diversidade de produtos derivados de algumas matérias-primas renováveis.

SETOR MATÉRIA-PRIMA COMPONENTES APLICAÇÕES

Açúcar e amido

Cana-de-açúcar, beterraba açucareira, sorgo sacarino, trigo, milho, batata, arroz mandioca etc.

Açúcar, amido, melaço.

Solventes, produtos farmacêuticos, adesivos, resinas, polímeros, selantes, limpadores, etanol.

Óleos vegetais

Canola, soja, coco, girassol, dendê, gorduras animais.

Triglicerídeos, ácidos graxos, glicerol.

Surfactantes para sabões e detergentes, ingredientes inativos de produtos farmacêuticos, tintas, pinturas, resinas, cosméticos, ácidos graxos, lubrificantes, materiais de construção.

Madeira Pinho, eucalipto. Celulose, papel e lignina.

Materiais de construção, fibras, polímeros, resinas, adesivos, pinturas, revestimentos, tintas, piche.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 10: Biotecnologia e indústria

111

A utilização de organismos geneticamente modificados permite melhorar os processos

produtivos e desenhar produtos novos. Em relação à segurança, cabe lembrar que as características

metabólicas das linhagens industriais estão alteradas de modo a que elas cresçam em condições

artificiais muito estritas, sendo incapazes de sobreviver fora do laboratório ou, eventualmente, de

competir com os microrganismos do ambiente.

A percepção pública nutre uma atitude neutra ou favorável em relação à biotecnologia

industrial. Em parte porque os produtos são utilizados como insumos para outras indústrias, o que

lhes confere pouca visibilidade. E também porque, ao utilizar matérias-primas renováveis e

desenvolver processos menos poluentes com menor gasto de energia, as biotecnologias ajudam a

atenuar a imagem poluidora da indústria química. Não é por acaso que a biotecnologia industrial é

denominada “biotecnologia branca”.

OS PRODUTOS BIOTECNOLÓGICOS

Alguns processos biotecnológicos geram substâncias em quantidades pequenas (volume baixo) que

serão vendidas a um preço elevado (alto valor agregado). Trata-se geralmente de metabólitos

secundários cuja produção demanda grandes investimentos, um nível tecnológico avançado e uma

mão de obra altamente qualificada. Nesta categoria, denominada química fina, se inserem os

produtos farmacêuticos e agrícolas, alguns aditivos alimentares, os aminoácidos, as vitaminas e as

enzimas.

A via biotecnológica também se aplica a algumas substâncias fabricadas em grandes

quantidades (volume alto), em processos que demandam investimentos menores e operações mais

simples. Entre estes produtos, de valor agregado intermediário, encontramos metabólitos primários,

tais como alguns solventes, ácidos orgânicos e polímeros.

No caso de substâncias produzidas em grandes quantidades e com baixo valor agregado, como

os biocombustíveis líquidos (etanol, biodiesel) ou gasosos (biogás), nos deparamos ainda em alguns

países com sistemas produtivos desenvolvidos em pequena escala, em instalações sépticas e com

uma mão de obra não especializada, que não exigem mais que equipamentos simples e pequenos

investimentos. No entanto, a eficiência desses sistemas produtivos é baixa, verificando-se gradual e

progressivamente sua substituição por outros que contam com um nível tecnológico avançado e são

gerenciados por grandes empresas, em empreendimentos economicamente sustentáveis.

A via biotecnológica resulta hoje economicamente viável para alguns metabólitos, as enzimas,

os bioplásticos e os biocombustíveis.

METABÓLITOS DE INTERESSE COMERCIAL

Estima-se que, em 2010, a biotecnologia branca responderá por 9% das vendas do setor químico e

que, em condições favoráveis, esse valor poderá subir rapidamente a 20%. Entre as moléculas de

interesse comercial se destacam, por sua versatilidade, vários metabólitos primários e secundários

(Tabela 10.2).

Álcoois e solventes

Vimos previamente alguns aspectos históricos relacionados com a produção de acetona e butanol

por fermentação. Estima-se que a imobilização de microrganismos daria um novo impulso à síntese

de solventes, aumentando a produtividade em aproximadamente 60%. Também se deve destacar a

importância do etanol, 95% do qual é produzido por via biotecnológica.


112

Ácidos orgânicos

A produção de ácido cítrico (4.0 x 105 toneladas/ano) depende quase exclusivamente do cultivo do

fungo filamentoso Aspergillus niger, em processos fermentativos de diversos tipos (meio sólido e

cultura em superfície; meio líquido e cultura submersa). O ácido cítrico é utilizado na indústria de

alimentos como aditivo (acidulante e antioxidante), na cosmética como regulador do pH e, na

indústria farmacêutica, como anticoagulante e ingrediente de tabletes efervescentes.

Em relação ao ácido acético, os processos industriais modernos também dependem da ação

bacteriana (gêneros Acetobacter, Gluconacetobacter e Gluconobacter). Com numerosas aplicações, o

ácido acético é um precursor de várias moléculas intermediárias como o anidrido acético e os

acetatos éster, e de produtos como o acetato de celulose, o celofane, o acetato raiom etc. Também

se usa como solvente na produção de plásticos, borracha, gomas, resinas e óleos voláteis. A indústria

farmacêutica o utiliza como acidificante.

O ácido láctico é obtido por fermentação bacteriana (Lactobacillus) ou fúngica (Rhizopus

oryzae), sendo um importante insumo para as indústrias de alimentos e de fármacos e a cosmética.

Também é utilizado como monômero na síntese de ácido poliláctico (PLA), um polímero

biodegradável.

O ácido succínico também encontra aplicações em várias indústrias (alimentos, fármacos,

cosmética), assim como na produção de plásticos e de materiais para a indústria automotora. Trata-

se de outro bloco fundamental na síntese de polímeros, resinas de ABS (acrilo-nitrilo-butadieno),

Nylon 6.6, solventes etc.

TABELA 10.2. Metabólitos primários e secundários obtidos por fermentação e/ou bioconversão

enzimática.

METABÓLITOS PRIMÁRIOS EXEMPLOS

Álcoois e solventes Etanol, butanol, acetona, glicerol, manitol.

Ácidos orgânicos Ácido láctico, ácido cítrico, ácido acético, ácido glucônico, ácido itacônico, ácido málico, ácido tartárico, ácido pirúvico, ácido succínico.

Aminoácidos Ácido L-glutâmico (monoglutamato de sódio), L-lisina, L-fenilalanina, ácido L-aspártico, L-carnitina.

Polissacarídeos Xantana, dextrana, pululana, gelana, agar, alginatos, carrageninas.

Nucleotídeos e nucleosídeos Ácido guanílico (5’GMP) e ácido inosínico (5’IMP).

Vitaminas Vitamina B2 (riboflavina), vitamina C (ácido L-ascórbico), vitamina B12 (cianocobalamina).

Corantes β-caroteno, astaxantina, ficocianina, monascina.

METABÓLITOS SECUNDÁRIOS EXEMPLOS

Moléculas para a saúde humana

e/ou animal

Antibacterianos, antivirais, antifúngicos, anti-helmínticos, antitumorais,

soros, imunoglobulinas, vacinas, imunossupressores, estatinas etc.

Moléculas para a agricultura Inseticidas e pesticidas, fatores de crescimento vegetal.

Moléculas para a indústria de

alimentos

Condimentantes e aromatizantes para a indústria alimentícia.


113

Aminoácidos

A produção industrial de aminoácidos se destina à nutrição humana (66%) e ao enriquecimento de

rações animais (33%) e, em grau bem menor, às indústrias farmacêuticas e cosméticas (1%). O

método produtivo mais antigo é a extração por hidrólise de proteínas (soja, cabelos), que tem como

limitação principal a disponibilidade da matéria-prima. Os outros métodos incluem a síntese, a

fermentação e a biocatálise.

A síntese química apresenta o inconveniente de gerar misturas das duas formas isoméricas (acil-

D e acil-L), representadas habitualmente como tipo “mão direita" e tipo "mão esquerda". Como os

organismos vivos só assimilam L-aminoácidos, estes devem ser separados por biocatálise das

misturas racêmicas. A imobilização de enzimas estereoespecíficas nos biorreatores facilita a

produção industrial, reduzindo os custos de maneira significativa. Observe-se que a separação é

desnecessária no caso da glicina, que não apresenta ambas as formas, e da DL-metionina, já que os

seres vivos convertem a forma D em L.

A via fermentativa é conveniente para a produção de vários aminoácidos. O agente biológico

Corynebacterium glutamicum produz ácido glutâmico (1,1 milhão de toneladas/ano), que é usado na

cozinha oriental como flavorizante (glutamato monossódico), para realçar o sabor dos alimentos.

O ácido L-aspártico e a L-fenilalanina são obtidos por imobilização conjunta de Escherichia coli e

Pseudomonas dacunhae em uma coluna de fermentação, ou por uma bactéria geneticamente

modificada (Escherichia coli). Ambos são os componentes do adoçante não calórico Aspartame®

(15.000 toneladas/ano).

Outros aminoácidos cumprem a função de aditivo em alimentos (L-cisteína, 3.000

toneladas/ano), ou de complemento nutricional em rações animais (L-treonina, 50.000

toneladas/ano; L-lisina 550.000 toneladas/ano). Por outro lado, a indústria farmacêutica absorve

1.000 toneladas/ano de L-arginina e 500 toneladas/ano de L-triptófano, de L-valina e de L-leucina.

Polissacarídeos

Os polissacarídeos de origem microbiana substituem parcialmente os espessantes e gelificantes

extraídos das algas marinhas. A goma xantana (20.000 toneladas/ano), um produto de fermentação

da bactéria Xanthomonas campestris, entra na composição de molhos prontos, pudins, geleias,

sorvetes, dentifrícios etc. Suas propriedades espessantes são também utilizadas na recuperação do

petróleo.

As dextranas (200 toneladas/ano) são obtidas por via fermentativa a partir de diversos

microrganismos. As de alto peso molecular se empregam como espessantes na indústria de

alimentos, na preparação de filmes protetores de sementes (indústria agrícola) e na composição das

emulsões fotográficas. As de baixo peso molecular se usam como plasma sanguíneo artificial, para

melhorar o fluxo sanguíneo em casos de traumatismos e cirurgias.

Vitaminas

Apesar da maior parte das vitaminas serem obtidas industrialmente por via sintética ou extrativa, a

via fermentativa é vantajosa nos casos da riboflavina (vitamina B2) e do ácido ascórbico (vitamina C).

Ainda é a única possível para a cianocobalamina (vitamina B12), uma molécula complexa que,

naturalmente, não é sintetizada por animais ou por vegetais. Um precursor da vitamina A, o -

caroteno, é sintetizado pela alga Dunaliella bardawil, que consegue se desenvolver na água salobra

em grandes tanques ao ar livre, em uma região desértica perto da costa do Mar Vermelho (Israel).


114

ENZIMAS

Algumas enzimas podem ser extraídas facilmente dos tecidos ou dos órgãos de seres vivos: as

amilases do malte da cevada; a papaína da papaia; a ficina do figo, a bromelina do látex do abacaxi.

Do estômago de suínos se separa a pepsina e do pâncreas dos mesmos se obtém a pancreatina, que

é uma mistura de amilases, proteases e lipases. Já a renina é extraída do quarto estômago de

bezerros, e a catalase, do fígado ou do sangue de bovinos.

A extração de enzimas de origem vegetal ou animal está sujeita à disponibilidade de terra e às

flutuações das colheitas ou do abate. Por isso, a tendência é substituí-las por outras de origem

microbiana que, por serem obtidas mediante processos fermentativos em grande escala, garantem

uma produção regular de qualidade constante.

Mesmo cumprindo uma função idêntica, duas enzimas produzidas por microrganismos

diferentes podem apresentar propriedades dessemelhantes. Por exemplo, a lactase (-

galactosidase), uma enzima que hidrolisa a lactose, está presente em bactérias, leveduras e fungos.

No entanto, as condições ótimas de funcionamento diferem uma da outra: 400C, 370C e 55-600C

(temperatura); 3-4, 7,2 e 6,6 (pH). A escolha de uma enzima proveniente de um microrganismo ou de

outro dependerá das condições que o bioprocesso demande.

Considerando que a biodiversidade microbiana ainda começa a ser desvendada, assim como a

arte de alterar suas vias metabólicas, existem grandes chances de se encontrar enzimas com

propriedades diferentes que possibilitem o desenho de processos industriais inovadores.

A otimização de um processo industrial contempla o custo da matéria-prima, o tipo de

fermentação (submersa ou em meio semissólido) e os controles necessários para o bom

desenvolvimento do processo, como, por exemplo, o pH e a temperatura. Do ponto de vista

econômico, não vale a pena elaborar ou redimensionar esses parâmetros para cada microrganismo

que produza uma enzima interessante, sendo mais proveitosa a transferência da sequência

codificadora dessa enzima a um dos microrganismos industriais já bem conhecidos (bactérias

Escherichia coli, Streptomyces ou Bacillus subtilis; fungos Aspergillus oryzae, Saccharomyces

cerevisiae ou Kluyveromyces). Mais de 60% da produção industrial atual de enzimas provém da

biotecnologia moderna.

O custo de uma enzima também depende das dificuldades técnicas encontradas nas etapas

posteriores à fermentação (separação, purificação). Em geral, as enzimas mais baratas são as

extracelulares, ou seja, as que são secretadas para fora da célula como, por exemplo, as hidrolases

(amilases, proteases e celulases). As mais caras são as enzimas intracelulares, já que, por serem

utilizadas como fármacos ou reagentes em testes de diagnóstico, requerem um grau de pureza

maior.

As enzimas são insumos para outras indústrias, especialmente as de alimentos e bebidas,

rações, detergentes, analíticas e farmacêuticas. Estima-se que o mercado global de enzimas poderá

alcançar, em 2013, um valor aproximado de US$ 7 bilhões/ano. Atualmente, o maior produtor é

Novozyme, uma empresa pertencente ao grupo Novo (Dinamarca), que responde por 47% do

mercado. A empresa mantém em funcionamento vários fermentadores de 80.000 l, contabiliza mais

de 4.000 patentes e dedica a quase totalidade de seu orçamento de pesquisa e desenvolvimento à

otimização de microrganismos, produtos enzimáticos e tecnologia.

BIOPOLÍMEROS E BIOPLÁSTICOS

A denominação de biopolímeros abrange dois tipos de polímeros. O primeiro inclui os que são

sintetizados pelos seres vivos, como a celulose, o amido e os óleos vegetais, o segundo, os que

resultam da polimerização de uma molécula básica, como o ácido láctico, proveniente de uma fonte

renovável.


115

Um dos bioplásticos mais versáteis é o polilactato (PLA), um poliéster obtido por polimerização

do ácido láctico resultante da fermentação de milho. Utiliza-se como recheio de almofadas e

edredons (NatureWorks), revestimento de filmes e de papel (BASF), e material de embalagens

descartáveis (Ingeo) por diversas empresas (Coca-Cola, McDonald’s). Também está sendo

aproveitado na indústria automotora (Hyundai) e eletrônica (Samsung).

Polímeros sintetizados diretamente por microrganismos, como os poli-hidroxialcanoatos (PHAs)

e o poli-hidroxibutirato (PHB), começam lentamente a entrar no mercado de embalagens da

indústria de alimentos. Este último, por ser biocompatível, encontrou importantes aplicações na área

médica (Biopol). No interior de São Paulo, uma usina piloto relacionada com empresas do setor

sucroalcooleiro (Biagi, Balbo) já está produzindo PHB por fermentação bacteriana do açúcar de cana

(Biocycle). A transferência dos genes codificadores de PHA (Ralstonia eutropha) e de PHB

(Alcaligenes eutropus) a microrganismos e plantas (canola) representa um avanço das pesquisas.

Além desses dois tipos de biopolímeros, os bioplásticos compreendem um terceiro, constituído

por polímeros biodegradáveis sintetizados a partir de uma molécula de origem petroquímica, como

alguns poliésteres sintéticos. Qualquer um dos dois critérios, a origem “fonte renovável” como a

propriedade “biodegradabilidade”, basta para definir um bioplástico.

A indústria dispõe atualmente de aproximadamente trinta moléculas essenciais para a

construção de polímeros, tais como os ácidos carboxílicos, o etanol, os aminoácidos, os triglicerídeos,

o furfural, o sorbitol, o glicerol etc.

Essas moléculas, de origem biológica, possibilitam tanto a obtenção de plásticos inovadores

biodegradáveis como a de bioplásticos convencionais, não biodegradáveis e semelhantes aos de

origem petroquímica. Entre estes: as resinas de poliuretano sintetizadas a partir de óleo de soja, o

poliéster de origem bacteriano Sorona 3GT (DuPont, Genencor) de amplo uso na indústria têxtil, do

PVC ou “polietileno verde” (Braskem, Tetrapak), que é um polímero do etileno obtido a partir do

etanol de cana.

A produção de bioplásticos ainda está limitada pelos custos, no entanto e apesar de representar

atualmente apenas 1% do negócio de polímeros, se espera que esse valor aumente rapidamente se

os custos diminuírem.

OS BIOCOMBUSTÍVEIS

Aproximadamente 75% da energia consumida no mundo é retirada dos combustíveis fósseis (carvão,

petróleo e gás natural). Considerando que as reservas são limitadas e que a queima de combustíveis

fósseis é a causa de vários problemas ambientais, parece acertado buscar outras formas de extrair

energia. Uma fonte alternativa é a biomassa, um recurso que, por ser renovável, pode nos fornecer

energia de modo sustentável.

A combustão é a forma mais simples de liberar a energia da biomassa, seja esta madeira,

resíduos vegetais ou excrementos secos de ruminantes. Trata-se de um procedimento rural, não

comercial.

A tecnologia atual nos oferece combustíveis eficientes por fermentação da biomassa, como o

etanol ou o biogás. Existem outras possibilidades, tais como a obtenção de biodiesel por

transformação química de óleos vegetais e, futuramente, a produção de hidrogênio a partir de água,

utilizando a capacidade fotossintética das microalgas.

Os biocombustíveis contribuem para reduzir alguns dos problemas ambientais que nos afligem,

tais como a acumulação de CO2 e outros gases de efeito estufa. A grande vantagem da biomassa

sobre os combustíveis fósseis é que libera uma quantidade de CO2 igual à que absorveu durante o

seu crescimento em um período recente, enquanto a quantidade de CO2 liberada pelos combustíveis

fósseis foi removida do ambiente há milhões de anos.


116

Nos países que os adotam, os biocombustíveis substituem a gasolina, parcial ou totalmente,

modificando a realidade do setor de transportes. Curiosamente, os primeiros automóveis de Henry

Ford, com motores de ignição por centelha, funcionavam com etanol de milho, e os primeiros

motores de Rudolf Diesel, de ignição por compressão, o faziam com óleo de amendoim. Com o

petróleo barato, passou-se a utilizar gasolina e óleo diesel para os automotores, mas o aumento dos

preços na década de 1970 mostrou a conveniência de substituir os derivados do petróleo por etanol

e biodiesel.

Atualmente, o principal biocombustível líquido para transporte é o etanol. A maior parte da

produção (90%) está concentrada no Brasil (fermentação da cana-de-açúcar) e nos Estados Unidos

(fermentação do milho). Os outros países produtores são o Canadá, a China, a União Europeia

(França e Alemanha) e a Índia.

Embora um litro de etanol forneça bem menos energia que um litro de gasolina (66%), sua

maior octanagem melhora o desempenho das misturas etanol-gasolina. Até que ponto o etanol será

capaz de substituir a gasolina? A resposta dependerá da tecnologia disponível, do processo produtivo

e do preço do petróleo. Estima-se que, no Brasil, o bioetanol de cana-de-açúcar seria competitivo

com o barril de petróleo a US$ 30-35; nos Estados Unidos, onde o etanol se produz a partir de milho,

isso ocorreria com o barril de petróleo a US$ 55-80.

Por outro lado, o desvio de matérias-primas alimentícias, como o milho ou o óleo de soja, para a

produção de biocombustíveis levanta forte controvérsia porque redunda no aumento do preço dos

alimentos, penalizando os setores mais pobres da população. Também preocupa a expansão dos

cultivos agroindustriais, favorecendo o desmatamento e afetando a biodiversidade. A solução parece

estar na obtenção de etanol a partir de resíduos lignocelulósicos, uma tecnologia complexa que

ainda está em desenvolvimento (Figura 10.1).

FIGURA 10.1. As etapas necessárias para a produção de etanol a partir de diferentes matérias-

primas.

Hidrólise enzimática Hidrólise ácida ou enzimática

CALDO AÇUCARADO FERMENTESCÍVEL

Fermentação

Destilação

BIOMASSA CELULÓSICA BIOMASSA SACARINA BIOMASSA AMILÁCEA

ETANOL


117

O ETANOL

A produção por via fermentativa

A produção de etanol pela via biotecnológica envolve a ação fermentativa de leveduras sobre um

substrato adequado: cana-de-açúcar, beterraba açucareira, sorgo açucareiro, milho. No Brasil, a

matéria-prima é a cana-de-açúcar (Figura 10.2).

FIGURA 10.2. A produção de etanol a partir da cana-de-açúcar.

LAVOURA Transporte Trituração e extração CALDO, GARAPA BAGAÇO Combustível OU MOSTO

LEVEDURAS Reaproveitamento Fermentação

MELAÇO AÇÚCAR CO2 VINHO LEVEDURAS Ração animal Destilação

FLEGMA VINHAÇA Fertilizante Retificação Deshidratação

CANA-DE-AÇÚCAR

ETANOL HIDRATADO

ETANOL ANIDRO


118

Após a colheita, a cana é transportada até a usina onde é triturada, separando o caldo do

bagaço. Este é utilizado como combustível, gerando calor e eletricidade para o próprio

estabelecimento. O caldo se reserva à produção de açúcar ou de etanol. Um subproduto da

produção de açúcar, o melaço, é reincorporado ao processo produtivo de sacarose ou misturado ao

caldo de cana para a obtenção de etanol.

Antes de dar início à fermentação, se acrescentam no caldo os nutrientes e antissépticos

necessários, ajustando-se também outros parâmetros, como a temperatura e o pH. O processo

fermentativo ocorre nas dornas (biorreatores) por obra das leveduras, naturais ou selecionadas. A

condução do procedimento, contínua ou descontínua, depende do estabelecimento assim como da

complexidade e automação dos equipamentos disponíveis. Concluída a fermentação, recuperam-se

as leveduras por centrifugação, com vistas a uma posterior reutilização e/ou à produção de ração

animal.

Da destilação do vinho se obtém a flegma, um líquido com álcool em maior concentração, e um

resíduo denominado vinhaça ou vinhoto, que deve ser tratado antes de despejado no ambiente. A

retificação, isto é, a eliminação das impurezas da flegma, gera o álcool hidratado, que é convertido

em álcool anidro por desidratação.

A substituição da gasolina – o caso do Brasil

No Brasil, 63% da energia provém de fontes renováveis: grandes hidroelétricas (42%), madeira (10%),

cana-de-açúcar (9%), outras (2%). A contribuição da cana-de-açúcar está diretamente relacionada

com o uso do etanol como combustível.

Calcula-se que 60% da cana-de-açúcar plantada no Brasil se destina à produção de etanol por

fermentação. Em outros países se utilizam matérias-primas diferentes, tais como a beterraba

açucareira (União Europeia) ou o milho (Estados Unidos). A desvantagem das matérias-primas

amiláceas é que demandam um tratamento enzimático (sacarificação) antes da fermentação (Figura

10.1).

O aumento do preço do petróleo durante a crise da década de 1970 mostrou a necessidade de

ter outras fontes para substituir a gasolina. Em 1975, o Brasil instituiu o Programa Nacional do Álcool

(Pró-Álcool) visando a produção de etanol como combustível alternativo para os carros de passeio.

Pouco tempo depois, na década de 1980, 5.000.000 de carros funcionavam com etanol (94% de

etanol, 6% de água) e outros 9.000.000 com uma mistura de álcool e gasolina (78% de gasolina, 22%

de álcool).

Em 1989, a queda do preço do petróleo e os problemas inerentes ao próprio Pró-Álcool

(subsídios, baixa produtividade) provocaram uma crise de desabastecimento, abalando seriamente o

programa. Reativado na década de 1990, desta vez obedecendo a critérios de produtividade tanto na

lavoura como na indústria, o programa deixou de receber subsídios.

Hoje, mais de três milhões de carros são movidos com álcool hidratado, enquanto o álcool

anidro se aditiva à gasolina em uma proporção que varia entre 20 e 24%, dependendo da relação

oferta/procura. A introdução, em 2003, da tecnologia flexfuel, que permite abastecer os carros tanto

com gasolina como com álcool hidratado, deixa ao consumidor a possibilidade de escolher o

combustível em função de considerações econômicas e ambientais.

A produção de etanol no Brasil chegou a 24 bilhões de litros em 2009, estimando-se que será de

36 bilhões de litros em 2012. O setor sucroalcooleiro de hoje é um enorme complexo industrial com

mais de 400 indústrias, com participação de várias multinacionais em um mercado consolidado

através de ciclos de aquisições e fusões. As pequenas usinas foram suplantadas por outras,

tecnologicamente aprimoradas, que desenvolvem sistemas de produção integrados.


119

Lentamente, a mecanização da colheita elimina a necessidade das queimadas e modifica as

condições de trabalho nos canaviais. Além de etanol, as instalações industriais fabricam aglomerado,

ração animal, adubo, celulose etc. O aproveitamento do bagaço é fundamental porque permite gerar

a energia necessária para o funcionamento das usinas e inclusive exportá-la, aumentando a matriz

energética renovável do país.

A obtenção de variedades de cana-de-açúcar com diferentes períodos de desenvolvimento

(rápido, médio e tardio) assim como o plantio sequencial diminuem as flutuações na oferta de

matéria-prima.

O projeto Genoma-cana, uma parceria entre a Fapesp (Fundação de Amparo à Pesquisa do

Estado de São Paulo), várias universidades e o setor sucroalcooleiro, irá facilitar a curto prazo o

melhoramento da planta (teor de açúcar, resistência a pragas, resistência à seca). Encontra-se em

andamento o melhoramento das leveduras, procurando desenvolver microrganismos mais

produtivos e tolerantes ao etanol, ou com características (floculação) que facilitem sua recuperação

uma vez concluída a fermentação.

O BIOGÁS

A biodigestão anaeróbia

Em condições aeróbias, a digestão microbiana da matéria orgânica produz água (H2O) e dióxido de

carbono (CO2). Em condições anaeróbias, a ação de vários grupos de microrganismos forma como

produtos finais: metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) e água (Figura 10.3).

Nos ambientes confinados de pântanos e sepulcros, o gás formado gera alguns fenômenos

assustadores de combustão espontânea (“luzes dos cemitérios”). Mas, nas condições mais

controladas de um aterro sanitário ou de um biorreator (= biodigestor), o gás acumulado poderá ser

utilizado como combustível (biogás).

O processo fermentativo (biodigestão) se desenvolve sobre resíduos rurais (esterco),

agroindustriais (vinhaça, efluentes das indústrias de laticínios e dos matadouros), domésticos ou

comunitários (lama de esgotos) e, também, sobre plantas (aguapé). A matéria-prima se coloca no

biodigestor, em anaerobiose e a um pH neutro (6,7-7,7), evitando-se a presença de substâncias

solventes ou de inseticidas porque prejudicam o desenvolvimento do processo.

Segundo a temperatura do biodigestor, haverá uma multiplicação de bactérias mesófilas (350C)

ou termófilas (550C) que, respectivamente, processarão a matéria-prima em 15-30 dias ou em 12-14

dias. A segunda opção libera mais biogás, mas requer maior consumo de energia e um

monitoramento cuidadoso, porque as bactérias termófilas não suportam bem as variações de

temperatura.

Como o processo de decomposição anaeróbia envolve a sucessão biológica de várias populações

naturais de microrganismos, as melhoras tecnológicas visam exclusivamente a engenharia do

processo. Este pode ser conduzido tanto de maneira descontínua como contínua, em biodigestores

especialmente construídos para permitir o abastecimento diário de matéria-prima e a retirada de

biogás.

Existe um número grande de modelos de fermentadores, desde os muito simples (modelos

tailandês, chinês, indiano) até os automatizados, que processam um volume grande de matéria-

prima. O biogás pode ser usado diretamente ou armazenado. Entre as aplicações possíveis está o

abastecimento do consumo doméstico (fogões, lampiões ou aquecedores), a geração de energia

elétrica e o acionamento de motores de veículos.

Da biodigestão, restam dois resíduos. Um deles é um material sólido fibroso que, uma vez

compostado e prensado, se usa como “solo artificial” para o cultivo de plantas ou para melhorar a

qualidade do solo. O outro é um efluente líquido, que se aproveita como adubo. (Figura 10.4).


120

BIOGÁS

FIGURA 10.3. A biodigestão em condições aeróbias e anaeróbias. RESÍDUOS ORGÂNICOS VEGETAIS E ANIMAIS

O2 MOLÉCULAS ORGÂNICAS SIMPLES ACETATO

Aerobiose Anaerobiose

H2O CO2

FIGURA 10.4. As complexas etapas da produção de biogás dentro do biodigestor. MATÉRIA-PRIMA MOLÉCULAS COMPLEXAS

Microrganismos fermentativos MOLÉCULAS SIMPLES

Bactérias acidogênicas BIODIGESTOR

ÁCIDOS E ÁLCOOIS Bactérias acetogênicas ACETATO Bactérias metanogênicas MATERIAL SÓLIDO FIBROSO + EFLUENTE LÍQUIDO

H2O CH4 CO2

BIOGÁS


121

A utilização do biogás

O biogás está formado por 50-65% de metano e 35-50% de dióxido de carbono, com traços de gás

sulfídrico (corrosivo), nitrogênio, oxigênio e hidrogênio. O poder calorífico é menor que o do gás

natural, um combustível fóssil cuja composição inclui metano, etano, propano e butano (Tabela

10.3).

A primeira fábrica de biogás começou a funcionar em 1859 em Bumbai (Índia). A iniciativa

alcançou bastante sucesso de modo que, em 1980, a Índia contava com 150.000 biodigestores.

Talvez seja esta uma das razões pelas quais se considere a digestão anaeróbia como um processo

biotecnológico adequado a pequenas cidades e comunidades rurais. No entanto, a produção de

biogás pode alcançar outra dimensão se for encarada como uma tecnologia moderna que visa a

produção de calor e de eletricidade (Figura 10.5).

Em 1995, quando contabilizava mais de cinco milhões de pequenos biodigestores rurais, a China

teve o empenho de construir reatores tecnologicamente avançados, para o tratamento de rejeitos

urbanos e a geração de eletricidade. A Dinamarca é o líder mundial na produção de biogás, estando

bem desenvolvida a tecnologia em outros países como os Estados Unidos, a Alemanha, a França, o

Japão e a Suécia.

Na América Latina, algumas pequenas comunidades contam com geradores de biogás que as

abastecem com energia suficiente para cozer os alimentos ou alimentar um motor. Contudo, nos

últimos anos surgiram vários projetos ambiciosos de exploração do potencial existente nos aterros

sanitários urbanos (Olavarría, Argentina; Bandeirantes, Nova Iguaçu e Petrópolis, Brasil; Santiago,

Chile; Monterrey, México; Maldonado, Uruguai). O tratamento dos rejeitos agroindustriais,

especialmente da indústria açucareira e da suinocultura, também é uma fonte considerável de

biogás. Cuba conta com mais de 100 fábricas produtoras de biogás.

TABELA 10.3. O poder calorífico de vários combustíveis.

GÁS PODER CALORÍFICO (Kcal/m3) GÁS PODER CALORÍFICO (Kcal/m3)

Butano 28.000 Gás natural 7.600

Propano 22.000 Biogás 5.500

Metano 8.500 Gás de cidade 4.000

FIGURA 10.5. As utilizações do biogás.

BIOGÁS

ENERGIA TÉRMICA ENERGIA ELÉTRICA

COMBUSTÍVEL

TRANSPORTE AUTOMOTOR

PLANTAS PURIFICADORAS E DE ARMAZENAMENTO


122

O BIODIESEL

A transesterificação

O biodiesel é um combustível composto por ésteres (etílicos ou metílicos) produzidos na reação

química de transesterificação entre óleos vegetais e álcool (etanol ou metanol), em presença de um

catalisador inorgânico ou enzimático (lípases) (Figura 10.6).

FIGURA 10.6. A reação de transesterificação.

H2C – O – CO – R CH2OH

HC – O – CO – R + 3R’ – OH HCOH + 3R – O – CO – R’

H2C – O – CO – R CH2OH

Triglicerídeos Álcool Glicerol Ésteres

A reação deixa como subproduto o glicerol (5 a 10% do produto bruto), que é aproveitado por

algumas indústrias (alimentos, cosmética, medicamentos). Aumentar a produção de biodiesel

significa ampliar o leque de aplicações porque, diferente do bagaço de cana, o glicerol gera uma

substância tóxica (acroleína) quando é queimado.

O biodiesel fornece entre 88 e 95% da energia do diesel, mas quando misturado com o diesel

convencional (B1 com 1% de biodiesel a B20 com 20% de biodiesel) aumenta a qualidade do

combustível, diminuindo a emissão de partículas poluentes e gases tóxicos na atmosfera.

A produção de biodiesel

A produção de biodiesel está localizada principalmente na União Europeia (60%) e, em menor parte,

nos Estados Unidos, na China, na Indonésia e na Malásia. A matéria-prima é variada: soja nos Estados

Unidos, canola na União Europeia e no Canadá, soja e girassol na Argentina, dendê na Ásia. No Brasil,

tem-se experimentado soja, mamona, babaçu, dendê, girassol, milho, amendoim, pinhão-manso etc.

A implementação do Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel (PNPB) estimula a

produção sustentável, enfatizando a inclusão social e o desenvolvimento regional. Desde janeiro

2010, adiciona-se no Brasil 5% de biodiesel ao diesel convencional, estimando-se que a proporção

aumente a 20% até 2020.

Restam alguns pontos a considerar, especialmente em relação à utilização de matérias-primas

como a mamona, com o intuito de estimular o pequeno agricultor. Em princípio, o biodiesel é

carbono-neutro. No entanto, diferente do etanol de cana, o sistema produtivo seria carbono-

negativo, quando se leva em conta a energia necessária para adubação e irrigação da terra, a

movimentação da maquinaria agrícola, o armazenamento e transporte da matéria-prima e dos

produtos etc.

Do ponto de vista energético, os sistemas produtivos mais eficientes seriam os associados aos

complexos agroindustriais (soja, milho, girassol), embora apresentem o grave defeito de desviar para

a produção de energia as matérias-primas de alimentos e rações.


123

PERSPECTIVAS

Cunhado recentemente, o conceito abrangente de biorrefinaria se refere a um complexo industrial

com instalações para o processamento biotecnológico, químico, físico e térmico da matéria-prima

renovável, transformando-a em numerosos intermediários químicos e bioquímicos que alimentarão

um conjunto de linhas de produção muito diversificado.

A primeira geração de biocombustíveis abrange o etanol (açúcar de cana-de-açúcar ou

beterraba, amido de milho) e o biodiesel (óleos vegetais). A segunda geração de bioetanol utilizará

biomassa lignocelulósica proveniente dos resíduos agroindustriais, tais como bagaço e folhas de

cana, palha e sabugo de milho, serraduras e aparas de madeira etc.

A maior dificuldade reside na própria estrutura da matéria-prima lignocelulósica. A celulose

(polímero de hexoses) e a hemicelulose (polímero de hexoses e de pentoses) se encontram

circundadas por lignina, uma substância de suporte das plantas, sendo necessário um pré-

tratamento que as separe, possibilitando a hidrólise enzimática e a liberação de açúcares

fermentescíveis (hexoses e pentoses).

Equipamentos com o design apropriado e enzimas celulolíticas (celulases e hemicelulases) para

uso industrial já estão a caminho. Algumas indústrias funcionam experimentalmente na Suécia, na

Espanha, na Dinamarca, no Canadá e nos Estados Unidos. Estima-se que o Brasil poderá contar com

uma instalação piloto em 2012. Também se investe em processos termoquímicos em que o gás de

síntese obtido por combustão da biomassa é convertido em etanol, por catálise ou ação microbiana.

Em relação ao biodiesel, há bastante expectativa no uso de algas para a produção de

hidrocarbonetos e triacilglicerídeos, porque permitiriam dedicar terras férteis e água doce para a

produção de alimentos. A adição de bioquerosene ao querosene diminuiria os custos do combustível

de avião. Recentemente instalada no interior paulista, a empresa norteamericana Solazyme espera

obter, até o fim de 2013, 50 milhões de toneladas de óleo a partir de algas.

Em outra linha de trabalho (biologia sintética), e com bastantes possibilidades de sucesso, se

modifica o metabolismo da levedura de modo a direcioná-lo para a produção de moléculas

interessantes para a área de energia (biodiesel) e de química fina (Amyris do Brasil, Crystalsev,

Santelisa, Vale, Boa Vista). Com a liberação comercial no Brasil de uma levedura transgênica que

sintetiza farneseno, um precursor do biodiesel, a partir de cana de açúcar, se espera que a partir de

2011 sejam fabricadas 2 milhões de toneladas do biocombustível.


124

11. BIOTECNOLOGIA E MEIO AMBIENTE



O DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL

Qual o impacto das atividades humanas sobre o meio ambiente? Que legado deixaremos para as

próximas gerações? É a partir destas perguntas que emerge o conceito de desenvolvimento

sustentável, definido como “a capacidade de atender às necessidades do presente sem comprometer

a capacidade das gerações futuras em atender suas próprias necessidades” (Informe Brütland, 1987).

O desenvolvimento sustentável depende das ações realizadas nas áreas econômica, social e

ambiental. Este é o consenso alcançado ao longo de quase duas décadas e de várias conferências

internacionais (Rio de Janeiro, 1992, e Agenda 21; Kyoto, 1997; Johanesburgo, 2002; Copenhague,

2009; Cancún, 2010; Durban, 2011). Contudo, os relatórios publicados em 2007 pelo Painel

Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC, da sigla em inglês) das Nações Unidas

apontaram a responsabilidade do homem no futuro do planeta, mostrando que não podemos seguir

protelando ações concretas de proteção do meio ambiente.

Qual a contribuição das biotecnologias para o desenvolvimento sustentável? Em relação à

economia, as biotecnologias diminuem os custos não só da matéria-prima como da produção

industrial, com processos e produtos novos e/ou de maior valor agregado. Na área social, se espera

que o desenvolvimento de novas plataformas tecnológicas possibilite a conservação ou a criação de

empregos. E na área ambiental, as biotecnologias cumprem um importante papel na prevenção,

remediação e monitoramento da contaminação.

AS TECNOLOGIAS LIMPAS

Lentamente, a sociedade começa a aceitar que é preferível não contaminar a ter que desenvolver

métodos para limpar o ambiente. No contexto das chamadas "biotecnologias brancas", várias

tecnologias limpas podem substituir outras mais poluentes, ajudando também a reduzir o volume de

resíduos domésticos, agrícolas e industriais.

A SUBSTITUIÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

A primeira opção para diminuir a poluição é a tecnologia enzimática, porque comporta a substituição

de alguns processos e produtos industriais por outros menos agressivos ao meio ambiente.

Diferentemente dos catalisadores não biológicos, as enzimas são específicas, não tóxicas e

biodegradáveis. Como agentes biológicos, as enzimas tornam os processos produtivos mais limpos e

seguros, diminuindo o consumo de energia e a quantidade de resíduos. O desenvolvimento de

enzimas ativas a altas temperaturas, em solventes não aquosos e em sólidos, poderá futuramente

expandir suas aplicações.

Aplica-se a tecnologia enzimática em setores muito diversos, alguns dos quais

reconhecidamente poluentes, tais como as indústrias de alimentos, rações, detergentes, têxteis,

papel e celulose, couros etc. Nos curtumes, por exemplo, o uso de enzimas reduz em 40% o consumo

de derivados do enxofre, ao tempo que produz couro de melhor qualidade. A introdução de até oito

enzimas nos detergentes evita a fervura das roupas, diminuindo o consumo de energia e facilitando a

retirada das manchas.


126

Os plásticos representam uma fração significativa (20% v/v) do lixo dos países industrializados,

sendo a maior parte proveniente das embalagens convencionais da indústria de alimentos. Além de

permanecerem por longo tempo na natureza, sua fabricação envolve uma matéria-prima não

renovável (petróleo) e um processo muito poluente que gasta uma quantidade grande de energia.

Em curto ou médio prazo, esses plásticos convencionais poderão ser substituídos por polímeros

de origem bacteriana ou vegetal, compostáveis em poucos meses. Uma das vantagens das

embalagens bioplásticas de alimentos é que degradam junto com os restos de comida, dispensando

as etapas de triagem e limpeza.

A indústria de papel e celulose é outro caso a considerar. O Brasil conta com 1,5 milhão de

hectares de florestas plantadas, basicamente, com eucaliptos (60%) e pinos (30%). A atividade

industrial gera 100.000 empregos diretos em 450 municípios, e as exportações alcançam o valor de

US$ 2,8 bilhões.

A madeira está composta por celulose, hemicelulose e lignina. Aproximadamente 90% desta

última é eliminado mediante um tratamento a altas temperaturas, realizado em meio alcalino. A

lignina restante (10%) confere uma cor escura característica ao produto resultante, ou pasta Kraft,

que é utilizada na fabricação de cartão e papel pardo. O branqueamento requer um tratamento

específico com oxigênio e cloro, formando-se derivados clorados tóxicos. Um procedimento

alternativo é o biopulping, em que uma enzima (xilanase) degrada o xilano da hemicelulose,

facilitando a eliminação da lignina que lhe está associada (Figura 11.1).

O sequenciamento do genoma do eucalipto facilitará o melhoramento da qualidade da madeira,

especialmente visando aumentar a proporção celulose/lignina em árvores de crescimento rápido. O

sequenciamento do genoma do fungo Phanerochaete chrysosporium ("podridão branca") revelou a

existência de mais de 240 genes codificadores de enzimas extracelulares que estão envolvidas na

degradação de carboidratos. Este fungo é o mais eficiente na degradação da madeira, sendo utilizado

também na eliminação de numerosos poluentes de origem orgânica, assim como no branqueamento

da polpa de papel e de têxteis.

FIGURA 11.1. A indústria de papel e de celulose.

O branqueamento da pasta Kraft admite tratamentos químicos (cloro) e biológicos (xilanase); estes últimos diminuem a carga poluidora do efluente. MADEIRA

Lignina + celulose + hemicelulose

Extração alcalina a alta temperatura

Lignina (90%) PASTA KRAFT

Lignina (10%) + celulose + hemicelulose

Branqueamento com cloro Branqueamento com xilanase

Eliminação da lignina

Derivados clorados da lignina

EFLUENTE

POLPA BRANCA

EFLUENTE

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 11: Biotecnologia e meio ambiente

127

Na fabricação do papel, o amido é utilizado para conferir rigidez à massa e melhorar o

acabamento. O amido está composto por cadeias de amilose e de amilopectina, sendo estas últimas

as que apresentam interesse industrial. No Brasil, se aproveita o amido de mandioca porque contém

menos amilose que o de milho ou de batata.

Recentemente aprovada pela Comissão Europeia, a batata geneticamente modificada Amflora

(BASF Plant Science) produz amido de alta qualidade, com 100% de amilopectina, sendo

desnecessário eliminar a amilose. Separada fisicamente da batata destinada ao consumo humano ou

animal, este tubérculo se destina ao uso industrial de tecidos e papel.

A SUBSTITUIÇÃO DE INSUMOS AGRÍCOLAS

Um segundo conjunto de tecnologias limpas visa a substituição parcial de alguns insumos utilizados

na agricultura, tais como os fertilizantes e praguicidas.

A intensa aplicação de fertilizantes agrícolas, derivados do petróleo, tem consequências

negativas porque uma parte do nitrogênio (N) e do fósforo (P) não é absorvida pelas plantas e acaba

sendo arrastada pelas chuvas até os rios e as reservas de água. O excesso de nutrientes estimula a

proliferação de algas, consumindo o oxigênio dos cursos de água e produzindo toxinas que afetam os

peixes e o gado.

Microrganismos vs fertilizantes químicos

O nitrogênio é um nutriente indispensável para os cultivos vegetais porque faz parte da composição

das proteínas e dos ácidos nucleicos. Encontra-se na atmosfera como N2 e no solo como nitrato,

resultante da decomposição da matéria orgânica ou proveniente dos fertilizantes agrícolas.

Alguns microrganismos livres (Azotobacter, Azospirillum), ou simbiontes (Rhizobium ou

Bradirhizobium) que vivem nos nódulos das raízes das leguminosas (soja, feijão), podem fixar

diretamente o nitrogênio atmosférico em uma forma utilizável pelas plantas. Inoculando as sementes

com rizóbios, por exemplo, diminuir-se-á a quantidade de nitrogênio a ser acrescentada no solo.

Trata-se de uma prática muito simples, facilitada pela produção industrial de microrganismos

selecionados para aplicação antes do plantio. A inoculação é feita misturando o produto com as

sementes umedecidas em tambores ou betoneiras, antes do plantio.

No Brasil, várias empresas nacionais e estrangeiras produzem inoculantes para leguminosas:

BioAgro, Bio Soja, Microquímica, Nitral Urbana, Turfal, Stoller, Total Biotecnologia, Rizobacter etc. A

maioria destas empresas está localizada no Paraná e Rio Grande do Sul.

A extensão das pesquisas sobre fixação de nitrogênio às gramíneas forrageiras, cereais e cana-

de-açúcar, iniciadas por Johanna Döbereiner (Embrapa) na segunda metade do século XX, permite

dispensar parcialmente a aplicação de nutrientes químicos, com a correspondente economia de

recursos.

O fósforo se origina a partir das rochas do solo e da decomposição dos seres vivos. Nos solos

ácidos característicos das regiões tropicais, a maior parte dos fosfatos (95-99%) forma compostos

minerais ou orgânicos insolúveis que não são acessíveis diretamente às plantas. Por isso, o fósforo se

torna um nutriente limitante para o crescimento das plantas.

Os micorrizos são associações simbióticas entre fungos e raízes vegetais; os primeiros absorvem

os nutrientes minerais e a água do solo, transferindo-os para a planta hospedeira. A inoculação dos

solos ou micorrização é uma tecnologia agrícola associada ao reflorestamento de pinos e eucaliptos,

eliminando ou diminuindo a necessidade de se acrescentar fósforo. Muitas espécies de fungos

micorrízicos são comestíveis e vários gêneros são comercializados a nível mundial: Tuber, Tricholoma,

Boletu, Cantharellus, Morchella, Lactarius e Suillus.


128

Além dos fertilizantes agrícolas, outra das causas de liberação excessiva de fósforo no ambiente

é a criação intensiva de animais. Os porcos e as aves não conseguem metabolizar o fitato, um

derivado presente nas rações, mas a complementação destas com uma enzima (fitase) tem um efeito

importante no ambiente, porque ao reduzir em mais de 30% a quantidade de fósforo excretado,

diminui a contaminação dos lençóis de água. A fitase é produzida industrialmente por um

microrganismo geneticamente modificado. A genômica poderá vir a dar um novo impulso a esta área

de vital importância.

Manejo integrado de pragas vs agrotóxicos

Práticas agrícolas como a utilização de variedades selecionadas e a rotação dos cultivos reduzem

substancialmente a necessidade de aplicar pesticidas sintéticos. O controle biológico dá um passo

além, visando a preservação das plantações e a salvaguarda da produção de alimentos mediante a

substituição dos praguicidas químicos por alternativas biológicas, tais como bactérias, fungos e vírus

entomopatogênicos. Observe-se que em seu clássico livro A Primavera Silenciosa, de 1972, a

pesquisadora Rachel Carson já alertava para os danos causados pelo uso do DDT, recomendando a

procura de soluções de cunho biológico.

Anos mais tarde, contamos com numerosos exemplos de substituição de pesticidas por agentes

biológicos específicos (Tabela 11.1). Um deles é a aplicação, nas lavouras de soja, de partículas de

baculovirus, um organismo que normalmente infecta e mata as lagartas (Anticarsia gemmatalis) que

parasitam essa planta. Outro é a pulverização de esporos do fungo Metarhizium anisopliae para lutar

contra a cigarrinha-da-folha-da-cana-de-açúcar ou a broca-dos-citros.

Contudo, o exemplo mais conhecido dessa tecnologia verde envolve a bactéria do solo Bacillus

thuringiensis ou Bt. Esta é utilizada como pesticida agrícola há mais de trinta anos, sem que suas

toxinas tenham causado danos às pessoas, à vida silvestre ou à maioria dos insetos benéficos. Com o

desenvolvimento da engenharia genética, os genes correspondentes foram transferidos a várias

plantas (milho, algodão etc.) que agora produzem diretamente a toxina inseticida.

TABELA 11.1. Alguns exemplos de utilização de agentes biológicos como pesticidas.

AGENTE BIOLÓGICO PRAGA COMBATIDA

Fungo Metarhizium anisopliae

Cigarrinha-da-folha-da-cana-de-açúcar (Mahanarva posticata), cigarrinha-da-raiz-da-cana-de-açúcar (Mahanarva fimbriolata), cigarrinha-das-pastagens (Deois flavopicta).

Fungo Beauveria bassiana Diversas, florestais.

Bactéria Bacillus thuringiensis var kurstaki

Lagartas desfolhadoras de grandes culturas e reflorestamentos.

Bactéria Bacillus thuringiensis var israelensis

Larvas do mosquito da dengue (Aedes aegypti, transmissor da dengue e da febre amarela) e dos borrachudos (Simulium spp.).

Bactéria Bacillus sphaericus Larvas do mosquito prego (Anopheles spp., transmissor da malária) e do mosquito urbano ou pernilongo (Culex spp., transmissor da encefalite e da filariose).

Vírus Baculovírus anticarsia Lagarta-da-soja (Anticarsia gemmatalis).

Vírus Baculovírus spodoptera Lagarta-do-cartucho-do-milho (Spodoptera frugiperda).

Vespa Cotesia flavipes Broca-da-cana-de-açúcar (Diatraea saccharalis).


129

Atualmente, existem numerosos produtos a base de Bacillus thuringiensis comercializados com

diferentes nomes (Bac-control, Bactur, Dipel, Ecotech Pro, Thuricide etc.) por várias empresas

nacionais e estrangeiras (Vectorcontrol, Milenia, Sumitomo, Bayer, Iharabras etc.).

A utilização do controle biológico, baseado no conhecimento da ecologia dos agroecossistemas,

constitui o que se denomina Manejo Integrado de Pragas (MIP). No Brasil, deve-se destacar o

trabalho da Embrapa e de várias universidades no desenvolvimento desta área.

Além de biopesticidas, no controle biológico também se utilizam feromônios, armadilhas e

atrativos alimentares. Alguns procedimentos são econômicos e muito engenhosos, como o

desenvolvido em Cuba para combater o tetuán del camote, um gorgulho (Cylas formicarius) que

ataca a batata-doce. Pendura-se na plantação uma lata com uma pequena quantidade de feromônio,

pulverizando em redor esporos do fungo Beauveria bassian. Atraídos pelo feromônio, os machos se

aproximam da lata e são contaminados mortalmente pelo fungo, que é inócuo para os seres

humanos, os animais e as plantas.

Para Cuba, a experiência de várias décadas de trabalho com controle biológico resultou crucial

quando, devido ao embargo propiciado por Estados Unidos, o país teve que substituir o uso de

agrotóxicos nas lavouras. Atualmente, o programa cubano de controle biológico de pragas envolve

laboratórios regionais, estações de defesa vegetal, postos equipados com laboratórios de

diagnósticos e mais de 200 centros de reprodução de entomófagos e entomopatógenos.

A REDUÇÃO DOS RESÍDUOS

A degradação do lixo (resíduos sólidos) e o tratamento de esgoto (resíduos líquidos) são dois

exemplos tradicionais de prestação de serviços da biotecnologia tradicional nem sempre valorizados,

apesar do imenso volume de matéria que transformam e de sua relevância para o meio ambiente.

A DEGRADAÇÃO DO LIXO

Em condições adequadas, todos os compostos naturais podem ser biodegradados. As populações

microbianas mistas do ambiente degradam as substâncias orgânicas através de numerosas reações,

sem que sejam necessários cuidados assépticos ou culturas puras. Em condições aeróbias, os

produtos finais da mineralização da matéria orgânica são dióxido de carbono (CO2) e água; em

condições anaeróbias, forma-se biogás.

Na compostagem, uma etapa intermediária da mineralização, os próprios microrganismos do

lixo degradam a matéria orgânica previamente fragmentada e misturada (Figura 11.2). Ao começar a

biodigestão, a liberação de energia causa um aumento de temperatura que elimina a maioria dos

microrganismos indesejáveis (sanitização). À medida que a atividade microbiana decresce, o sistema

se estabiliza e amadurece até perder todo o seu potencial de biodegradação.

As condições do processo são otimizadas mediante o controle de alguns parâmetros tais como a

relação carbono/nitrogênio, o oxigênio, a umidade e a temperatura. O processo pode ser conduzido

em sistemas simples (pilhas ao ar livre), ou complexos (silos, biorreatores), sendo necessário, em

ambos os casos, remover manual ou mecanicamente o material, para assegurar a aeração durante o

processo de biodigestão.

O tratamento dos resíduos sólidos urbanos (RSU) em usinas de compostagem é um

procedimento alternativo à incineração e ao depósito em lixões e aterros sanitários. Nesses

estabelecimentos, a separação prévia dos componentes permite a reciclagem de alguns materiais

(metais, vidro etc.). A biodegradação aeróbia ou mineralização dos restos orgânicos os transforma

em um "composto" utilizado no melhoramento de solos, em atividades de reflorestamento, para

colmatar terrenos, para combater a erosão etc.


130

LIXO ORGÂNICO

COMPOSTO

Por outro lado, a decomposição in natura do lixo nos aterros sanitários cria uma zona de anaerobiose

onde se produz biogás. Este é liberado na atmosfera, onde contribui para o efeito estufa e o

aumento da temperatura, afetando o clima.

O TRATAMENTO DAS ÁGUAS RESIDUAIS

O esgoto está constituído por excrementos (fezes e urina), águas de uso doméstico (banho, lavagem

de roupas etc.) e, eventualmente, alguns dejetos de origem industrial. Ao ser liberado diretamente

nos cursos de água, o esgoto desestabiliza as populações microbianas, que se multiplicam

rapidamente consumindo o oxigênio dissolvido e ocasionando a morte de peixes e crustáceos.

FIGURA 11.2. A compostagem.

AR ÁGUA FONTE DE NITROGÊNIO Fragmentação e mistura das partículas Aumento da temperatura (sanitização) BIODIGESTÃO AERÓBIA Diminuição e estabilização da temperatura Maturação CALOR CO2 ÁGUA OUTRAS SUBSTÂNCIAS

FIGURA 11.3. O tratamento das águas residuais. Fossas sépticas Gradeamento Lagoas de oxidação Tanque de areia Filtros de gotejamento (1) Tanque de sedimentação Tanque de Lodo sedimentação Lodo ativado (2 ) Lodo Biodigestor anaeróbico Lodo

EFLUENTE

EFLUENTE

EFLUENTE

RESÍDUO SÓLIDO

ESGOTO


131

Na biodegradação das águas do esgoto participam várias populações naturais. Os

microrganismos aeróbios (bactérias e protozoários ciliados) mineralizam parte da matéria orgânica

do efluente. As bactérias anaeróbicas procedem à biodigestão dos lodos, permitindo a obtenção de

biogás e a remoção de alguns nutrientes (N e P principalmente) que poderiam criar desequilíbrios

ecológicos.

O tratamento do esgoto envolve métodos físicos, químicos e biológicos (Figura 11.3). O processo

ocorre em pelo menos três etapas:

o Tratamento primário.

O esgoto passa por um processo de filtração que remove objetos grandes, lixo e areia. No tanque

de sedimentação, a gordura sobrenadante é separada do lodo sedimentado, que pode ser

transferido a um biodigestor.

o Tratamento secundário.

O líquido efluente do tanque de sedimentação pode ser tratado de vários modos:

Em lagoas de baixa profundidade.

Em filtros de gotejamento (1), colonizados pelos próprios microrganismos do esgoto que se

desenvolvem digerindo a matéria orgânica do meio.

Em tanques de lodo ativado (2), onde o meio é agitado e oxigenado mediante a injeção de ar

comprimido.

Um segundo tanque de sedimentação separa o efluente do lodo.

o Tratamento terciário.

Este é realizado para eliminar substâncias inorgânicas e orgânicas, envolvendo procedimentos

como a filtração, a volatilização da amônia, a precipitação de fosfato etc.

o Tratamento avançado.

A degradação microbiana dos resíduos orgânicos diminui consideravelmente a carga de

microrganismos patogênicos liberada no ambiente, mas não a elimina totalmente. Só alguns

métodos adicionais como a cloração, a irradiação UV e o tratamento com ozônio eliminam

microrganismos patogênicos recalcitrantes.

O TRATAMENTO DOS EFLUENTES INDUSTRIAIS

Além de fundamental para a população e o ambiente, o tratamento dos efluentes industriais é

estratégico para o melhoramento da imagem das indústrias mais poluentes, entre as quais figuram

as químicas, as papeleiras, as têxteis, as de couro, as de alimentos, as de extração de metais e

minerais e as de produção de energia.

A produção de etanol libera diretamente nos rios e cursos de água um efluente (vinhaça) que

provoca a eutrofização, com consequências nefastas para os seres vivos. Para avaliar a dimensão do

problema, basta lembrar que por cada litro de álcool a indústria produz até 12 litros de vinhaça. As

soluções contemplam o uso de tecnologias mais eficientes que permitam reduzir o volume de

vinhaça, e também sua biodigestão anaeróbia para a geração de fertilizante, além de biogás e de

eletricidade.

Os efluentes das indústrias de laticínios são utilizados como matéria-prima para o crescimento

de microrganismos que são adicionados às rações animais. De forma análoga, o licor sulfítico dos

efluentes da indústria de papel e celulose pode ser eliminado produzindo biomassa, com o fungo

Paecilomyces.


132

Em relação aos resíduos gasosos de processos industriais, o tratamento de compostos orgânicos

voláteis (VOCs, da sigla em inglês) é feito mediante filtros biológicos de diferentes tipos e

complexidade tecnológica.

AS EMISSÕES DE GASES E O EFEITO ESTUFA

Existem fontes naturais de gases, como os vulcões e os cupins. Estes, devido à atividade da flora

intestinal simbionte que lhes permite digerir celulose, liberam 40 milhões de toneladas de metano

por ano. No entanto, o homem é o principal responsável pela emissão dos gases que causam o efeito

estufa, através de atividades como o depósito do lixo em aterros sanitários, o cultivo do arroz, a

criação de gado, a liberação de efluentes agroindustriais sem tratamento e a queima de combustíveis

fósseis (petróleo, gás natural e carvão).

Os níveis de metano atmosférico são hoje duas vezes maiores que na era pré-industrial, um

dado preocupante se pensarmos que a contribuição do metano para o efeito estufa é 20 vezes

superior à do dióxido de carbono. Embora sua utilização como combustível elimine uma fonte de

contaminação atmosférica, a rentabilidade do processo nem sempre justifica o seu aproveitamento.

Várias iniciativas tendem a recuperar o metano dos aterros sanitários e utilizá-lo como

combustível alternativo. A América Latina, que emite 6% dos gases contaminantes, já está entrando

neste mercado com vários projetos de reaproveitamento do metano (aterros sanitários, resíduos

agroindustriais) na Argentina, no Brasil, no Chile, em Cuba, no México, no Uruguai. As iniciativas

dependem de empresas privadas e/ou de organismos governamentais; alguns estudos preliminares

contaram com financiamento do Banco Mundial.

Em relação à gasolina, a combustão dos biocombustíveis (mistura gasolina-etanol ou etanol

puro) emite quantidades menores de monóxido de carbono (CO), óxidos de enxofre (SOx),

hidrocarbonetos e outros compostos poluentes. Em compensação, liberam-se aldeídos cancerígenos

e, dependendo do motor, óxidos de nitrogênio (NOx). Apesar disso, estima-se que, entre 2004 e

2008, o uso de biocombustíveis na frota flexfuel brasileira teria deixado de liberar na atmosfera 35

milhões de toneladas de CO2. Calcula-se também que, para que essa economia fosse de 530 milhões

de toneladas de CO2, bastaria misturar com álcool apenas 10% da gasolina disponível no planeta.

O Protocolo de Kyoto (1997) previa a redução da emissão de gases contaminantes (dióxido de

carbono, metano, óxidos nitrosos e clorofluorocarbonetos). Ratificado por numerosos países, mas

não por Estados Unidos nem Rússia, que são responsáveis respectivamente por 36% e 17% das

emissões, o protocolo de Kyoto não teve os resultados esperados.

TABELA 11.2. Os principais contaminantes do meio ambiente.

CATEGORIA EXEMPLO

Inorgânicos Metais (cádmio, mercúrio, prata, cobalto, chumbo, cobre, cromo, ferro), isótopos radiativos, nitratos, nitritos, fosfatos, cianetos, asbestos.

Orgânicos Resíduos petroquímicos: petróleo, gasóleo, compostos aromáticos (benzeno, tolueno, etilbenzeno, xileno).

Produtos sintéticos: pesticidas organoalogenados como os bifeniles policlorados (PCBs) ou os hidrocarbonetos poliaromáticos.

Gasosos Gases: dióxido de enxofre (SO2), dióxido de carbono (CO2), óxidos nitrosos (NOx), metano (CH4).

Compostos voláteis: clorofluorocarbonetos (CFCs), compostos orgânicos voláteis (VOCs).


133

Contudo, criou-se um mercado paralelo da descontaminação através da compra e venda do

Certificado de Redução de Emissões (CER, do inglês Certificate of Emission’s Reduction), que nada

mais é que um bônus sobre a quantidade de contaminação deixada de emitir. Deste modo, o

Protocolo de Kyoto permite que, tendo superado a cota de gases a emitir, um país continue

contaminando a atmosfera se comprar bônus de um país que não a contamina ou que reduz sua

própria contaminação.

A BIORREMEDIAÇÃO

Numerosas substâncias, hoje presentes no ambiente, têm sido geradas pelo homem através da

síntese química. Embora muitas possam ser degradadas em poucos meses por algum organismo,

outras persistem na natureza por um longo tempo. Consideradas recalcitrantes, estas moléculas

alheias ao mundo dos seres vivos (xenobióticas) não são biodegradadas ou, quando o são, o processo

é muito lento.

OS CONTAMINANTES

Como resultado das atividades humanas, aproximadamente 2,5 milhões de toneladas de substâncias

químicas perigosas são liberadas anualmente no meio ambiente (Tabela 11.2). Em alguns casos,

trata-se de emissões deliberadas e regulamentadas (resíduos industriais), em outros, de

escapamentos acidentais (manchas de óleo ou de petróleo).

À diferença dos resíduos agrícolas e urbanos, que são biodegradados, os metais procedentes das

atividades extrativas e industriais (cádmio, zinco, chumbo, selênio) permanecem no ambiente, em

concentrações tóxicas. Sua absorção e concentração (bioacumulação) por plantas tolerantes aos

metais reduz a toxicidade do solo e facilita sua remoção em faixas de terreno pouco profundas.

Existem já plantas geneticamente modificadas para transformar os compostos organomercuriais

formados em diversas atividades (extração de carvão e de ouro etc.) em uma forma volátil muito

menos tóxica.

Um problema de difícil solução é a detecção e eliminação das 60 a 70 milhões de minas

antipessoais espalhadas no mundo. Uma possível saída parece ser a utilização de plantas de

Arabidopsis transgênicas (Aresa, Dinamarca). Estas plantas, portadoras de genes microbianos,

degradam a trinitroglicerina (TNT) liberando NO2, que é absorvido pela planta, modificando, três

semanas mais tarde, a cor das folhas.

A procura por microrganismos com características especiais é o primeiro passo para resolver

problemas ambientais. Alguns já conhecidos: Deinococcus radiodurans, resistente à radiação; Bacillus

infernus, resistente a altas temperaturas; Methanococcus jannaschi, resistente a pressões de até 230

atmosferas e a altas temperaturas etc.

OS TRATAMENTOS

Existem vários métodos para retirar substâncias recalcitrantes do meio ambiente (Figura 11.4). As

opções contemplam a construção de barreiras físicas, a lavagem ou ventilação do solo contaminado,

e sua destruição por incineração ou por biorremediação. Esta última apela para o uso de agentes

biológicos, operando com menos custo e mais rapidamente.

Para que a biorremediação seja eficiente é necessário que o poluente seja transformado

metabolicamente por algum microrganismo, os produtos finais sejam seguros e as condições

ambientais favoreçam a atividade microbiana. O processo deve ter uma relação custo/beneficio

interessante.


134

Uma forma de biorremediação é a produção de biomassa específica no local contaminado (in situ).

Do ponto de vista prático, duas estratégias são possíveis:

o Colocar microrganismos especializados no solo. o Acrescentar nutrientes para estimular a ação dos microrganismos presentes no sítio

contaminado.

Em ambos os casos, as bactérias ou os fungos digerem o lixo perigoso transformando-o em produtos

inofensivos. Uma vez consumido o material tóxico, os microrganismos morrem ou voltam ao seu

nível populacional normal no ambiente.

Outra forma de biorremediação dos solos contaminados admite o tratamento ex situ, em que o

solo escavado é transferido a um biodigestor. Como a liberação de microrganismos geneticamente

modificados no ambiente é vista com desconfiança, sua utilização se restringe a estes sistemas

fechados.

A modificação genética dos microrganismos pode fornecer linhagens com um potencial de

degradação dos contaminantes maior que o dos organismos naturais. Também permite o design de

microrganismos que combinem várias características de diferentes linhagens como, por exemplo, a

degradação de PCBs e a sobrevivência em uma ampla margem de temperaturas. Introduzindo os dois

genes correspondentes em uma bactéria inócua e de fácil cultivo, essa contaminação poderia ser

tratada de maneira específica.

Entre as formas de biorremediação cabe destacar a utilização de microrganismos que

sobrevivem no ambiente contaminado, por ter sistemas enzimáticos capazes de digerir os poluentes-

alvo, ligeiramente diferentes de seus substratos normais. Esta propriedade, denominada

metabolismo gratuito, possibilitou a descontaminação do Rio Savannah (Estados Unidos) de

tricloroetileno (TCE), utilizado como desengordurante na fabricação de componentes de armas.

Despejado no solo, o TCE contaminara as águas subterrâneas, causando um problema ambiental de

grandes proporções.

Para eliminar o contaminante, utilizou-se uma bactéria que metaboliza metano, mas é capaz de

degradar o TCE. Ao bombear metano no solo, a bactéria se multiplica; ao suspender o

bombeamento, ela passa a degradar o TCE por um tempo, até que o bombeamento de metano se

torna novamente necessário. A repetição cíclica do processo reduziu a contaminação a um nível

aceitável. Esta tecnologia é considerada viável do ponto de vista comercial.

FIGURA 11.4. As estratégias de biorremediação.

Microrganismos Microrganismos Microrganismos geneticamente

do ambiente selecionados modificados (em sistema fechado)

Otimização dos fatores que estimulam a ação bacteriana

(estrutura do solo, pH, aceptores de elétrons).

MEIO DESCONTAMINADO

MEIO CONTAMINADO

Suplemento de nutrientes


135

Os problemas que exigem biorremediação são muito pontuais, de modo que cada um deles

demanda um tratamento particular. Como não há um produto a patentear, mas um serviço a prestar,

a tecnologia está em mãos de organizações governamentais ou de pequenas firmas que agem

localmente.

UM EXEMPLO: OS VAZAMENTOS DE PETRÓLEO

Um dos mais sérios problemas de contaminação ambiental é o derramamento de petróleo nos

mares, devido a acidentes notórios (Prestige, Exxon Valdez, Torrey Canyon, Amoco Cadiz, Braer and

Sea Empress, British Petroleum) e a situações bélicas (Guerra do Golfo). As manchas de óleo

despejadas no mar contêm compostos tóxicos que representam uma ameaça para a ecologia

marinha e costeira, afetando todas as formas de vida aquática e constituindo um risco para a saúde

do consumidor.

A formação de carvão e petróleo nas profundezas da terra é possível porque, em condições

anaeróbias, tanto a lignina como os hidrocarbonetos são compostos químicos estáveis. Porém, em

condições aeróbias, ambos são degradados pelos microrganismos do ambiente. O petróleo

derramado no mar flutua na superfície, onde os componentes voláteis evaporam rapidamente. O

que não é recuperado pelo homem, se dispersará com o movimento das ondas, permanecendo em

alto-mar ou sendo levado até a costa.

O petróleo derramado será degradado pelos microrganismos naturalmente presentes no

ambiente marinho, geralmente pobre em nitratos e fosfatos. Por isso, devem-se acrescentar

nutrientes aos dispersantes químicos (detergentes) ou às espumas de limpeza das rocas da costa.

Estima-se que, até o momento, o solo de mais de 30.000 sítios contaminados com petróleo,

proveniente de vazamentos de tanques de armazenamento, tenha sido tratado por biorremediação.

Uma das primeiras patentes de um ser vivo corresponde a uma bactéria engenherada projetada

para degradar alguns componentes do petróleo (Chakrabarty, 1971). Porém, o uso deste tipo de

bactérias não teve sucesso na remoção do petróleo derramado em alguns acidentes, como o do

navio Exxon Valdez no Alaska (1989). As pesquisas atuais visam preferentemente os microrganismos

ambientais, especialmente Alcanivorax borkumensis, uma bactéria capaz de metabolizar 70% dos

compostos do petróleo, especialmente os de baixo peso molecular. O sequenciamento de seus 2.755

genes, completado recentemente, dará novas informações sobre suas rotas metabólicas e seus

requerimentos de fósforo e de nitrogênio.

A RECUPERAÇÃO DE RECURSOS NATURAIS

Os processos biológicos também são utilizados para a extração de petróleo e de metais (cobre, ouro,

urânio).

O PETRÓLEO

Na extração de petróleo, técnicas especiais (EOR, do inglês enhanced oil recovery) envolvem o uso de

polímeros de origem microbiana (xantana), para aumentar a viscosidade e facilitar o seu

bombeamento.

A introdução direta dos microrganismos no poço (MEOR, do inglês microrganism enhanced

oil recovery) parece menos interessante do ponto de vista econômico, mas isso pode mudar se o

petróleo começar a se esgotar.


136

OS METAIS

A extração de metais solubilizados nas ácidas e escuras águas do Rio Tinto (Andaluzia, Espanha) data

do domínio romano; abandonadas durante séculos, as minas foram exploradas a partir do século XIX

por uma empresa inglesa, hoje australiana. Em 1947, com o isolamento de bactérias quimiotróficas

do gênero Thiobacillus mostrou-se que a acidificação das águas e a consequente solubilização dos

metais eram o resultado não só de uma ação química, mas também de uma ação bacteriana.

As bactérias transformam os sulfetos metálicos insolúveis em sulfatos solúveis, mediante uma

reação de oxidação que libera a energia necessária para sua reprodução e crescimento. A fixação de

dióxido de carbono fornece o carbono necessário para a síntese dos componentes celulares e os

requerimentos se limitam ao oxigênio e a pequenas quantidades de nitrogênio e fósforo.

A biolixiviação se aplica especialmente à extração de cobre, ouro, zinco, níquel e cobalto. A

tecnologia é relativamente simples e requer pouca inversão, sendo adaptada aos países em

desenvolvimento. Na América Latina, se usa a biolixiviação para a extração de cobre (Chile, México e

Peru) e de ouro (Brasil, Chile e Peru).

A BIOMINERAÇÃO

Os Andes chilenos guardam as maiores reservas de cobre do planeta. Na época pré-colombiana, as

culturas Tiahuanaco e Inca o utilizaram na produção de bronze, uma liga de cobre e estanho. Durante

o período colonial, a produção de cobre se manteve baixa, mas entre 1820 e 1900 extraíram-se dois

milhões de toneladas. Ao finalizar o século XIX, as jazidas com alta concentração de cobre

começaram a dar indícios de esgotamento.

No século XX, os consórcios internacionais que dominavam a tecnologia necessária para a

extração do cobre em baixas concentrações assumiram o controle da indústria do cobre (Braden

Copper Co., Kenecott Corporation, Chile Exploration Company). Segue-se um processo de

“chilenização” que culmina em 1971 com a nacionalização das principais minas de cobre.

Ainda hoje, o Chile é o maior produtor de cobre do mundo, com 5.700 toneladas métricas que

representam 42% da produção de cobre mundial (2008). Atualmente, 36% da produção de cobre do

país está em mãos da Codelco (do espanhol, Corporación Nacional del Cobre), uma empresa estatal

criada em 1976 e que emprega 16.000 pessoas. O resto é produzido pelo setor privado.

As primeiras experiências de biolixiviação foram realizadas entre 1950 e 1980 em Rio Tinto

(Espanha), Cananea (México) e Toromocho (Peru). A exploração da mina de Pudahuel (Chile,

Codelco) com tecnologia nacional de biolixiviação começou na metade da década de 1980. A bio-

hidrometalurgia se estendeu rapidamente e já se encontram em funcionamento no Chile os

primeiros estabelecimentos que extraem o cobre exclusivamente por biolixiviação (Cerro Colorado,

Quebrada Blanca).

As operações são especialmente apropriadas para as minas de baixa qualidade ou

semiesgotadas, assim como para a recuperação do cobre nos refugos existentes. A oxidação

biológica ocorre geralmente em amontoados e pilhas, recuperando-se entre 75% e 90% do cobre em

períodos que oscilam de 6 a 12 meses e a um custo muito baixo. Atualmente, 5% da produção de

cobre chilena depende de biolixiviação.

Do desenvolvimento da biomineração participaram universidades e institutos de pesquisa, além

do setor produtivo, com apoio do governo e do PNUD (Programa das Nações Unidas para o

Desenvolvimento). As pesquisas atuais contemplam o uso de microrganismos termofílicos

(Sulfobolus) e a otimização do processo de bio-oxidação.


137

Fundada em 2002 por Codelco e Nippon Mining & Metals Co. Ltd., a empresa BioSigma

desenvolve estudos microbiológicos e genômicos, assim como tecnologias para a produção de

biomassa. Recentemente, a empresa registrou nos Estados Unidos uma patente descrevendo um

método para modificar geneticamente bactérias extremófilas do gênero Acidithiobacillus,

encontradas no minério de cobre.

O DIAGNÓSTICO DE CONTAMINAÇÃO AMBIENTAL

O diagnóstico de contaminação ambiental exige o monitoramento da água, do ar e do solo. As

tecnologias abrangem o uso de indicadores biológicos, de técnicas imunológicas e genéticas e de

biossensores.

INDICADORES BIOLÓGICOS

Estes são plantas e animais capazes de acumular metais pesados e poluentes orgânicos persistentes.

Determinando diretamente a concentração do contaminante em um organismo específico, podemos

avaliar a contaminação ambiental. Uma avaliação indireta pode ser obtida a partir de outras

variáveis, tais como o número de plantas e de espécies microbianas, o número de indivíduos nessas

espécies etc.

TÉCNICAS GENÉTICAS

Estas se aplicam na identificação das populações microbianas. Como ainda não sabemos cultivar em

laboratório a maior parte dos microrganismos do ambiente, uma boa parte da biodiversidade

microbiana permanece desconhecida. A tecnologia do DNA facilita a identificação dessas espécies em

função das sequências gênicas correspondentes ao RNA ribossômico (rRNA de 16S) e também ajuda

a monitorar as mudanças nas comunidades microbianas utilizadas na remoção de poluentes, de

maneira a detectar qualquer variação ambiental e restaurar rapidamente as condições ótimas do

sistema. Microarrays adequados avaliam a expressão dos genes em uma linhagem ou uma

comunidade microbiana em relação a um agente ambiental (genossensores).

TÉCNICAS IMUNOLÓGICAS

Estas utilizam anticorpos específicos, marcados ou associados a enzimas. As técnicas

imunoenzimáticas, cujos resultados podem ser apreciados simplesmente por uma mudança de cor,

resultam especialmente apropriadas para os testes de campo. Pouco a pouco estão substituindo os

testes tradicionais que, além de serem lentos, exigem um equipamento complexo, como os testes de

coliformes na água.

Imunoensaios de diversos tipos permitem o monitoramento contínuo, automatizado e barato de

pesticidas como o dieldrin, o parathion e os PCBs.

BIOSSENSORES

Estes combinam diferentes componentes biológicos e eletrônicos imobilizados em um substrato,

geralmente sob a forma de um chip. Alguns são muito seletivos, outros são sensíveis a um amplo

espectro de substâncias.


138

Substrato Membrana Biodetector imobilizado O substrato reage com o biodetector, originando um produto específico Ao detectar um produto específico, o transdutor gera um sinal elétrico

Circuito

Amplificador

O componente biológico pode ser uma enzima, um anticorpo ou um microrganismo.

Respondendo a um estímulo ambiental se verifica uma mudança em suas propriedades, mudança

que é detectada óptica ou eletronicamente fornecendo uma medida quantitativa do contaminante

(Figura 11.5).

Bactérias ou leveduras imobilizadas assinalam a presença de uma determinada substância, seja

porque a metabolizam, seja porque esta inibe o próprio metabolismo microbiano. Especialmente

interessante é a utilização de organismos geneticamente modificados, associando o promotor do

gene de uma enzima que reage com a substância procurada (arsênico, por exemplo) com genes

indicadores (luminescência, fluorescência ou produção de uma substância colorida).

FIGURA 11.5. O funcionamento de um biossensor.

O sinal aumenta ou diminui em função da concentração do substrato contaminante, que estimula ou inibe a ação do agente biológico. ,

12. BIOTECNOLOGIA E BIODIVERSIDADE



O conceito de biodiversidade abrange a totalidade da variação hereditária existente nos seres vivos.

Aplica-se em todos os níveis de organização biológica, desde os genes e cromossomos de uma

espécie até as diversas espécies ou comunidades presentes em ecossistemas como as florestas ou os

rios.

A DESAPARIÇÃO DOS ECOSSISTEMAS NATURAIS

O cultivo de plantas e a domesticação de animais acompanharam o homem na passagem de uma

vida nômade para uma vida sedentária, um acontecimento que ocorreu várias vezes em lugares

diferentes.

Os primeiros cultivos foram a cevada e o trigo (vales do Eufrates e do Nilo, entre 13.000 a.C. e

10.000 a.C.), o arroz (regiões fluviais da China e da Índia, 10.000 a.C.), e o milho e a abóbora (América

Central, entre 9.000 e 7000 a.C.).

No continente europeu, durante a Antiguidade, só foram cultivadas umas poucas espécies

locais, sendo lentamente adicionadas plantas provenientes de outros lugares, muitas vezes obtidas

como troféus de guerra (romanos e cruzados). Às técnicas agrícolas primitivas, que basicamente

envolviam a tração animal do arado e o armazenamento de alimentos, se acrescenta na Idade Média

a rotação trienal de culturas, uma prática de conservação do solo e aumento da produção.

Com as grandes navegações e a descoberta do Novo Mundo, muda o perfil das plantas

cultivadas nos diferentes continentes. O milho, a batata, o tomate, o feijão, o girassol e o tabaco

foram introduzidos na Europa. Procedentes de diferentes lugares, o trigo, o grão-de-bico, o arroz, os

cítricos, a banana, o café e a cana-de-açúcar se aclimataram na América (Figura 12.1).

FIGURA 12.1. O transporte de plantas de um continente a outro.

1: Trigo, aveia, videira, grão-de-bico.

2: Abóbora, feijão, milho, pimenta, tabaco, batata, tomate.

3: Café, inhame.

4: Abacaxi, amendoim, cacau, caucho, mandioca, milho, tomate, pimenta, cinchona.

5: Cítricos, banana, soja, cana-de-açúcar, arroz.

6: Abacaxi, amendoim, cacau, caucho, mandioca, milho, tomate, algodão, abacate.


140

No Novo Mundo e ligado ao tráfico de escravos, deu-se início ao ciclo da agricultura das

plantações, com o cultivo de plantas produtoras de fibras (algodão, juta) e de borracha (caucho), de

açúcar (cana-de-açúcar), de óleo (amendoim, palma), de frutos (banana), de substâncias

estimulantes (chá, café, cacau) etc. Nesse marco histórico se definem claramente algumas das

características da agricultura moderna, que visa satisfazer as necessidades dos consumidores não só

em relação à produção de alimentos, como também de insumos industriais.

Em relação aos animais a história segue um curso parecido, começando na Ásia com a

domesticação do cachorro, no final do paleolítico. Entre 8.000 e 7.000 a.C., foram domesticadas a

cabra e a ovelha (Mesopotâmia), o boi e o zebu (Mesopotâmia, Egito), o porco (China, Europa) e o

gato (Mediterrâneo). A domesticação do cavalo ocorreria bem mais tarde (Ucrânia, 4.000 a.C.). No

continente americano, bem antes da chegada dos europeus, as populações do continente americano

mantinham criações de lhamas, alpacas, vicunhas, perus e preás.

Após a conquista do Novo Mundo, os europeus levaram para o continente seus animais

domésticos: cavalos, vacas, porcos e cachorros. Estes se multiplicaram rapidamente, causando

grande devastação na flora local. As grandes planícies se tornaram um lugar ideal para a criação de

gado.

FIGURA 12.2. Distribuição da produção agrícola (grãos e cereais, pradarias e pastagens, cultivos

diversos) na área habitável do planeta.

TABELA 12.1. Os principais tipos de vegetais que entram em nossa alimentação.

TIPOS DE VEGETAIS EXEMPLOS

Cereais Trigo, arroz, milho, centeio, aveia, cevada, sorgo etc.

Plantas proteaginosas Diversos tipos de feijão, lentilha, grão-de-bico, amendoim, ervilha etc.

Raízes e tubérculos Batata, cará, batata-doce, mandioca, cenoura, beterraba etc.

Plantas oleaginosas Soja, algodão, colza, canola, amendoim, girassol etc.

Plantas produtoras de açúcar Cana-de-açúcar, beterraba sacarina.

Frutas e hortaliças Banana, tâmara, coco, azeitona, abacate, manga, uva, fruta-pão, couve, couve-flor, tomate, pimenta, quiabo, berinjela, pepino, abóbora etc.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 12: Biotecnologia e biodiversidade

141

Os séculos seguintes assistiriam a um aumento significativo da produtividade agrícola em função

da introdução de novas práticas agronômicas, da mecanização do trabalho no campo e do

melhoramento genético. No entanto, ao limitar o número de espécies cultivadas, o progresso da

agricultura teve um impacto negativo na biodiversidade.

Os ecossistemas agrícolas acompanharam a expansão do homem sobre a superfície habitável da

Terra (Figura 12.2). Expansão limitada por oceanos, mares, desertos, montanhas e regiões polares,

que tornam inabitável para o homem os dois terços da superfície do planeta. Para evitar o

desaparecimento dos ecossistemas naturais, precisa-se de uma agricultura e pecuária sustentáveis,

que possibilitem a conservação e a manutenção dos solos, da água, dos processos ecológicos e dos

recursos genéticos.

O HOMEM E AS PLANTAS

AS PLANTAS ALIMENTÍCIAS

Os vegetais ocupam um lugar preponderante na dieta humana. Apesar de nossa alimentação incluir

também produtos animais (carne, leite, ovos, peixes, mariscos), a maioria das proteínas que

ingerimos é de origem vegetal. Os cereais respondem por 75% de nossas necessidades calóricas.

Tubérculos, raízes, plantas oleaginosas e sacarinas complementam 20%. Hortaliças e frutas não

fornecem mais que uma pequena quantidade de calorias, sendo importantes por outros valores

nutritivos (Tabela 12.1).

A dependência de um limitado número de espécies

Apesar de existir uma grande diversidade de plantas comestíveis, a maior parte dos alimentos (90%)

consumidos pela humanidade se restringe a um pequeno grupo de 20 a 25 espécies que inclui a

banana, a mandioca, o milho, o amendoim, algumas leguminosas, o milheto, a batata, o arroz, o

sorgo, a batata-doce, a soja e o trigo (Figura 12.3).

A produção de alimentos

No início do século, a população humana era de 6,1 bilhões de pessoas, estimando-se que chegará a

9,3 bilhões em 2050 (Tabela 12.2). Frente a esses números, cabe nos perguntarmos se a produção de

alimentos será suficiente para as necessidades da população.

Nos últimos trinta anos, a produção de alimentos teve um aumento de 35% como resultado da

seleção de variedades mais produtivas, cultivadas em condições apropriadas. Entre 1980 e 2000,

embora a população aumentasse em quase dois bilhões de pessoas, o desenvolvimento tecnológico

alcançado graças à Revolução Verde gerou uma produção de alimentos suficiente para suprir a

humanidade. A duplicação da produção de cereais causou também uma redução significativa dos

preços.

Contudo, ainda hoje, 4,5 bilhões de pessoas vivem na pobreza, sendo que aproximadamente

24.000 pessoas morrem diariamente de fome e outras 800.000, principalmente crianças e mulheres,

sofrem de desnutrição. A carência de vitamina A afeta 14 milhões de crianças, e a falta de ferro, um

bilhão de pessoas. Mesmo havendo suficientes alimentos para todos, eles não chegam a 1,2 bilhão

de pessoas que vivem com menos de um dólar por dia, nem a outros dois bilhões que vivem com

menos de dois dólares por dia.


142

FIGURA 12.3. Os vegetais na alimentação humana.

TABELA 12.2. O tamanho da população humana.

ANO 1980 2000 2011 2030 2050

Número de pessoas (em bilhões) 4,4 6,1 7 8,3 9,3

TABELA 12.3. As plantas e a indústria.

PRODUTO PLANTAS INDUSTRIAIS

Biocombustíveis Cana-de-açúcar, beterraba sacarina, cereais, soja, mamona etc.

Fibras têxteis Algodão, sisal, linho, cânhamo, juta, coco, rami, piaçava.

Óleos e gorduras Soja, algodão, colza, canola, amendoim, girassol, dendezeiro, babaçu, mamona, sésamo, oliveira, linhaça.

Essências e fragrâncias Sassafrás, menta, citronela, geraniol, eugenol, capim-limão.

Látex Borracha, chicle (sapoti).

Ceras Carnaúba, jojoba.

Resinas Bálsamos e gomas.

Especiarias Pimenta-do-reino, noz moscada, canela, gengibre, cravo-da-índia.

Taninos Acácia, quebracho, eucaliptos.

Tinturas Pau-brasil, pau-campeche, urucum.


143

Segundo a Food and Agriculture Organization (FAO), para responder às necessidades da população, a

produção de alimentos deverá aumentar em 60%, nos próximos 30 anos. Considerando que 90% das

pessoas viverão na faixa intertropical, onde está situada a maioria dos países em desenvolvimento, a

falta de alimentos poderá se agravar.

Em parte porque, salvo algumas exceções significativas (chá, café, cacau, banana etc.), os

alimentos se consomem no lugar mesmo onde são produzidos. E, também, porque irá aumentar o

número de pessoas que em vez de produzir alimentos deverá comprá-los, em função da tendência

migratória para as grandes cidades.

Embora já tenham aparecido sinais de erosão e de esgotamento do solo em vários lugares, a

expansão da fronteira agrícola parece improvável. Boa parte da terra não utilizada se encontra em

regiões pouco férteis, distantes, carentes de infraestrutura ou cobertas por florestas. Sua ocupação

aceleraria a degradação de ecossistemas com perda de biodiversidade e risco de aparição de

doenças.

Dois grandes desafios aguardam a humanidade: aumentar a produtividade dos sistemas

agrícolas e reduzir a desigualdade de acesso aos alimentos. Se, por um lado, o desenvolvimento

tecnológico é indispensável, a história dos últimos anos mostra que, sem mudanças sociais e

políticas, não haverá solução para o problema da fome.

AS PLANTAS COMERCIAIS

A produção de insumos

Várias plantas são cultivadas e comercializadas, às vezes internacionalmente, como matéria-prima

para diversas indústrias (Tabela 12.3). Assim como o ouro, a carne, o petróleo e o gás natural, os

grãos são considerados commodities, isto é, produtos equivalentes independentemente do produtor.

Os preços são fixados em mercados futuros que estabelecem a quantidade e a qualidade da

commodity a ser comercializada.

De todas as plantas industriais, a soja merece uma atenção especial. Nos últimos anos, o seu

cultivo alcançou um enorme sucesso comercial que pode ser atribuído à extraordinária versatilidade

de seus produtos.

O grão e os brotos podem ser consumidos diretamente ou entrar como farinha na composição

de pães, doces, bebidas, massas, biscoitos etc. Os grãos fermentados se utilizam na culinária oriental

(misó, tempeh).

A fração proteica do grão substitui a proteína de origem animal (carne de soja) e é usada na

elaboração de produtos dietéticos, pastas e cremes, massas, sucrilhos, comida de bebês, bebidas etc.

A torta de soja também é incluída nas rações animais. Mas, por outro lado, essa fração proteica entra

na composição de adesivos, reagentes analíticos, colas de madeira, emulsão asfáltica, produtos de

limpeza, cosméticos, substitutos de couro e plásticos.

O óleo extraído do grão é usado para cozinhar e como condimento para saladas, entrando na

composição de molhos, maioneses, coberturas de bolo, bebidas, patês e margarinas. Utiliza-se

também como anticorrosivo e antiestático, entrando na composição de agentes dispersantes e

antiespumantes, selantes, cosméticos, madeirite, corantes e tintas. Atualmente, 80-90% do óleo de

soja produzido provém de culturas transgênicas.

Assim como a soja, outras plantas apresentam um espectro de aplicações de amplidão

equivalente na alimentação e na indústria. Não causa surpresa o fato de que os primeiros cultivos

transgênicos a serem comercializados correspondam a quatro das plantas industriais: a soja, o milho,

o algodão e a canola.


144

A exploração das florestas

As florestas naturais têm um valor intrínseco importantíssimo na conservação da biodiversidade. No

entanto, a lenha ainda é utilizada como combustível, e a exploração de madeiras representa um

mercado global de mais de US $ 400 bilhões.

As florestas também são uma fonte de matéria-prima para a indústria de papel e celulose. As

biotecnologias facilitam o reflorestamento através da micropropagação e do plantio clonal de

árvores mais produtivas e de crescimento rápido.

O mapeamento de genomas (Pinus, Eucalyptus) e a utilização de marcadores genéticos

permitem selecionar alelos, em genes que controlam a variação fenotípica. As duas tecnologias se

aplicam também para a obtenção de árvores que possam crescer em solos áridos (salinidade, acidez).

Técnicas de engenharia genética visam reduzir a lignina em 45-50% de maneira de modo a

diminuir a necessidade de tratamentos altamente poluentes no processamento da polpa. De um

modo geral, a maioria dos estudos sobre essências está sendo realizada em relação aos gêneros

Pinus, Eucalyptus, Picea, Populus, Quercus e Acácia.

Vários países já realizaram experiências de transformação genética em árvores. Na China, a

tecnologia será fundamental para o reflorestamento; por enquanto 300-500 hectares têm sido

plantados com Populus resistente a insetos (portador de um transgene codificador da toxina do

Bacillus thuringiensis).

A floricultura

Outro setor importante do ponto de vista comercial é a floricultura, que abrange o cultivo de plantas

ornamentais e de flores, no qual se utilizam corriqueiramente as técnicas de cultivo de tecidos

(micropropagação e embriogênese somática), a haploidização e a fusão de protoplastos.

A produção comercial de orquídeas, por exemplo, depende hoje das técnicas de cultura in vitro.

Boa parte do desenvolvimento das plantas ocorre em condições de laboratório bem controladas, que

permitem ao sistema produtivo a obtenção de mudas sadias e de variedades novas.

Em um mercado em expansão, no qual a produção de material de propagação (mudas,

sementes e bulbos) tende a se concentrar em grandes empresas internacionais, o Brasil exporta

flores e plantas tradicionais (crisântemos, rosas, gladíolos, cravos, gérberas etc.) e plantas tropicais

(helicônias, bromélias, orquídeas, antúrios etc.) em diferentes modalidades (flores de corte, flores

em vaso, plantas verdes e plantas para paisagismo).

A Argentina exporta rosas, cravos e palmas a cidades como Miami e Milão, de onde são

distribuídas internacionalmente. Também exporta bulbos de tulipa e uma variedade de rosa preta

sem espinhos. O Instituto Nacional de Tecnologia (INTA) e a Japan International Cooperation Agency

(JICA) participam de um programa de cooperação para o desenvolvimento da floricultura, assim

como da produção hortifrutícola.

A maior parte (75%) do mercado mundial de flores corresponde a cravos, rosas, crisântemos e

gérberas, espécies nas quais faltam os pigmentos responsáveis pela coloração azul (antocianinas).

Com a transferência de um gene de petúnia ao cravo, uma empresa australiana (Florigene) e uma

japonesa (Suntori) conseguiram colocar no mercado flores inovadoras, tais como os cravos (Dianthus

caryophyllus L.) de cor malva (Moondust) ou violeta (Moonshadow).

Estas plantas são comercializadas em diversos países, inclusive dentro da União Europeia. Na

Colômbia os cravos azuis são cultivados desde 2000, para exportação, por Flores Colombianas S.A.,

uma filial da empresa holandesa Floriyin. Em 2009, aprovou-se o cultivo de rosas e crisântemos azuis.

As principais linhas de pesquisa atuais visam o desenvolvimento de fragrâncias e a transferência

a várias espécies ornamentais de genes que prolonguem a conservação das flores nos vasos.


145

AS PLANTAS MEDICINAIS

Até o momento, há identificadas cerca de 20.000 espécies de plantas medicinais. Muitas delas

representam ainda o único recurso possível para 80% da população rural, que não tem acesso aos

medicamentos comercializados.

Em alguns casos, o princípio ativo das plantas tem sido identificado e sintetizado quimicamente.

É o caso bem conhecido do ácido acetilsalicílico da fórmula da aspirina, cujo efeito é comparável ao

do ácido salicílico extraído da casca do salgueiro que, desde a Antiguidade, se administra em chás e

poções, como analgésico e antitérmico.

A metade das drogas medicamentosas consumidas atualmente é extraída de plantas silvestres

(não cultivadas). Esses medicamentos derivam de 250 espécies de plantas, que representam 0,1%

das 250.000 plantas vasculares.

A procura por novos medicamentos começa pela coleta das plantas e a extração de substâncias

químicas que se submetem a testes de atividade biológica. Encontrar um princípio ativo pode

significar altos lucros, embora só chegue ao mercado um em cada 10.000 produtos testados. Entre os

fitoquímicos bem-sucedidos estão: a diosinina (produção de anticoncepcionais), a vincristina e a

vinblastina (medicamentos anticancerosos), a morfina (anestésico) e o curare (relaxante em

cirurgias).

A BIODIVERSIDADE AMEAÇADA

A EROSÃO GENÉTICA

A perda de biodiversidade acarreta a perda de variação genética (erosão genética). Os dados são

estarrecedores: 11 milhões de Ha/ano de florestas destruídas; avanço da desertificação em 27

milhões de Ha/ano; desaparição de 30 a 300 espécies por dia. A destruição dos ecossistemas, a

diminuição do número de espécies existentes e a perda de variabilidade genética são danos

irreparáveis; para avaliar sua gravidade basta considerar que, para o melhoramento genético de uma

linhagem cultivada, é preciso recorrer aos genes das variedades silvestres.

A ameaça da erosão genética aparece claramente em relação às plantas alimentícias, um

número restrito de cultivos, uniformizados em função das práticas agrícolas modernas. No início do

século XX existiam, na Índia, mais de 30.000 variedades nativas de arroz, das quais provavelmente

não restam hoje mais de cinquenta.

Também é preocupante o futuro das plantas medicinais, muitas delas silvestres, porque as

melhores plantas são as primeiras a serem colhidas, enquanto as restantes ficam no terreno,

produzindo as sementes que darão origem às próximas gerações. Este tipo de seleção negativa

contribui para a erosão genética das espécies.

A EXPANSÃO DO AGRONEGÓCIO

Por enquanto, as plantas geneticamente modificadas se limitam a um número reduzido de espécies e

poucos traços, principalmente tolerância a herbicidas e resistência a insetos. A globalização dos

cultivos de plantas geneticamente modificadas traz alguns questionamentos relativos ao seu impacto

sobre a biodiversidade.

Vários cenários são possíveis, com diferentes consequências para os ecossistemas e sua

biodiversidade. No primeiro, a expansão do agronegócio afetaria os espaços dedicados a outras

culturas, pastagens e florestas. No segundo, ao aumentar a produção agrícola, as variedades

transgênicas diminuiriam a pressão sobre as áreas não cultivadas, especialmente as florestas.


146

A materialização de um ou outro, assim como a de qualquer outro cenário intermediário,

dependerá das pressões socioeconômicas e das políticas públicas relativas à produção de alimentos,

exportações e proteção do meio ambiente. Mas não da transgênese em si, porque os cenários seriam

os mesmos se em vez de plantas geneticamente modificadas dispuséssemos de plantas melhoradas

por métodos tradicionais.

A expansão de um pequeno número de espécies em monocultura representa sem dúvida uma

perda da biodiversidade existente no ambiente natural. Entretanto, cabe destacar que a

comercialização de um único tipo de semente não significa necessariamente a total uniformização do

material genético. O mercado de sementes difere de outros mercados globalizados, como o de

bebidas gasosas, o de eletrônica ou o de informática, que geram produtos standard. Nenhuma

semente está presente ou é comercializada em todo o globo, criando-se variedades adaptadas a

contextos específicos.

Estas variedades ou cultivares distinguem-se entre si por suas características morfológicas,

fisiológicas, bioquímicas ou moleculares, herdadas geneticamente. Por exemplo, se entre 1998 e

2003 foram registradas no Serviço de Proteção de Cultivares do Brasil cerca de 400 cultivares de soja

(Glycine max (L.) Merrill), a estratégia é a mesma em relação às plantas transgênicas; havendo já no

país uma oferta de mais de 40 variedades de soja tolerante a herbicida.

A TRANSGÊNESE

A relação entre a transgênese e a natureza das espécies é perturbadora para algumas pessoas, entre

as quais alguns ativistas de movimentos contrários ao uso dessa tecnologia. Existe o temor que a

transferência de genes modifique o padrão das espécies, quebrando a ordem estabelecida na Criação

e estabelecendo algo como o caos genético.

Na mitologia, esse medo se encontra na quimera, um misto de leão, cabra e dragão que

vomitava fogo, e que na Idade Média simbolizava o mal. Figuras mistas de homem, animal e planta

se encontram magistralmente representadas pelo pintor flamengo Hieronymus Bosch (El jardín de

las delicias, 1510).

TABELA 12.4. Os centros de diversificação e os cultivos originários.

REGIÃO CULTIVOS

América Central e do Norte Milho, amaranto, feijão, batata-doce, mandioca, algodão, sisal, papaia, abacate, goiaba, pimenta, abóbora, tomate, baunilha, cacau, girassol, morango, noz pecã, tabaco etc.

América do Sul Amaranto, amendoim, feijão, lupino, batata, mandioca, amendoim, algodão, caju, fruta-de-conde, abacaxi, papaia, abacate, morango, pimentão, abóbora, coca, mate, borracha etc.

Índia e Sudeste Asiático Limão, pepino, arroz, melão, manga, cana-de-açúcar, algodão, cânhamo, coco, arroz, fruta-pão, laranja, tangerina, banana, plátano, noz-moscada, berinjela etc.

China Soja, colza, lichia, pera, pêssego, repolho, chá, gengibre, ginseng, cânfora etc.

África (Etiópia) Café, melão, melancia, inhame, sorgo etc.

Ásia menor Alfafa, trigo, aveia, centeio, cevada, rabanete, cenoura, ervilha, grão-de-bico, lentilha, azeitona, figo, amêndoa, vinha, maçã, beterraba, alho, cebola, açafrão, papoula, alcaçuz etc.


147

Por ser de cunho religioso e essencialmente subjetivo, esta visão não corresponde ao nosso

conhecimento atual sobre as espécies, que são unidades morfológicas e reprodutivas essencialmente

dinâmicas. Sem fundamentação científica, o criacionismo ignora os inúmeros estudos sobre a

evolução dos seres vivos e, também, as descobertas sobre os genomas, mostrando que as espécies

compartilham um número grande de genes.

Por outro lado, não deve se esquecer que muitas das plantas consideradas naturais são um

invento recente do homem. Um exemplo é o morango, resultante de um cruzamento acidental entre

duas variedades que não coexistem na natureza: a norte-americana Fragaria virginiana e a sul-

americana Fragaria chiloense, ocorrido no século XIX em um Jardim Botânico da França. Outro

exemplo é o tritical, um híbrido de trigo e centeio, obtido em laboratório em fins do mesmo século.

Tratado inicialmente como uma curiosidade científica, este cereal teve suas propriedades

agronômicas desenvolvidas recentemente, sendo utilizado hoje na composição de pães e biscoitos e

de rações animais; também é vendido em algumas lojas de produtos naturais.

A PROTEÇÃO DA BIODIVERSIDADE

OS CENTROS DE DIVERSIFICAÇÃO

No início do século XX, o geógrafo e geneticista russo Nikolai I. Vavilov percorreu 64 países, em mais

de 100 expedições, coletando sementes, grãos, tubérculos etc. Nessas viagens, ele observou que em

alguns lugares o número de variedades cultivadas e distintas é muito maior que em outros. Essas

áreas geográficas corresponderiam aos centros de diversificação, ou de origem, das plantas

cultivadas.

Assim, a existência de mais de 1.000 variedades de batata na Cordilheira dos Andes, cada uma

delas identificada com um nome pela população local, mostraria que esse é seu centro de

diversificação. A partir de observações análogas, Vavilov localizou seis a oito centros geográficos

onde, presumivelmente, teria se originado a agricultura (Tabela 12.4).

Vavilov não chegou a completar sua obra, falecendo em 1943 na prisão de Saratov, onde foi

encarcerado por se opor a uma interpretação ideológica da hereditariedade e defender o conceito

mendeliano da herança. Na antiga União de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS) a genética foi

considerada uma teoria reacionária e burguesa, entre 1929 e 1964.

A teoria de Vavilov foi extremamente fecunda para os estudos evolutivos das plantas cultivadas

e, consequentemente, para a conservação da biodiversidade. Admite-se hoje que a diversidade das

plantas cultivadas e silvestres é bem maior em alguns pontos geográficos, e que alguns biomas foram

mais propícios que outros para o nascimento de práticas agrícolas.

Nem sempre os centros de diversidade coincidem com os centros de origem, porque as

migrações humanas permitiram a aparição de centros de diversidade secundária. Nestes, as espécies

foram selecionadas em função das práticas agrícolas e da pressão ambiental, tornando-se tolerantes

as condições ambientais e resistentes às doenças locais.

A CONSERVAÇÃO DA BIODIVERSIDADE

Uma das consequências do processo evolutivo é a extinção de espécies, como evidenciado pelo

número de espécies vivas, que não chega a 1% das que alguma vez povoaram a Terra. O que

preocupa não é tanto a aparição e desaparição das espécies, como a velocidade a que isso está

acontecendo, porque configura uma extinção em massa, causada pelo homem.


148

Consideremos por exemplo o caso da Mata Atlântica brasileira, cuja biodiversidade é maior

ainda que a da Amazônia. A devastação é tal que só restam pedaços da floresta original e sua

conservação depende da manutenção de corredores entre os diversos fragmentos.

Negociada sob os auspícios do Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (UNEP), a

Convenção sobre a Diversidade Biológica entrou em vigor em 1993. Promove a cooperação

internacional para a conservação da diversidade biológica, o uso sustentável dos recursos biológicos

e a distribuição justa e equitativa dos benefícios resultantes do uso dos recursos genéticos.

Conservar a biodiversidade e os recursos genéticos significa muito mais que salvá-los da

extinção, trata-se de conservar suficiente diversidade dentro de cada espécie de forma a garantir que

seu potencial genético seja usado no futuro.

De um modo geral, em todas as variedades cultivadas atualmente tem-se incorporado genes

provenientes de variedades selvagens ou dos estoques genéticos conservados por povos que

praticam uma agricultura tradicional. A produção comercial do tomate, por exemplo, seria impossível

sem a contribuição de genes silvestres de América Latina. Graças aos trigos selvagens, dispomos de

variedades resistentes aos fungos, à seca, ao calor ou ao frio. A resistência a quatro doenças do arroz

que é cultivado atualmente se deve a uma variedade encontrada na Índia central.

A conservação in situ

A biodiversidade pode ser conservada in situ mediante a proteção ambiental de uma região

determinada (unidades de conservação ambiental). Além de manter a dinâmica evolutiva das

espécies, há de se contemplar as necessidades da população local criando reservas de

desenvolvimento sustentável (Mamirauá, Brasil; Slan K’an, México). Na Costa Rica, uma lei de 1996

compensa aqueles que conservem ou aumentem a área de floresta dentro de suas propriedades.

Uma nova tendência é o retorno da vida selvagem mediante a reintrodução de animais como o

urso, nos Pirineus, ou o lobo, nas florestas europeias. Projetos mais arrojados contemplam a criação

de comunidades de grandes mamíferos.

Em Oostvaarderplassen (Países Baixos), os animais extintos são substituídos por outros que lhes

sejam aparentados. Extinto em 1627, o auroque é substituído pelo auroque de Heck, criado em 1920

por cruzamentos entre as mais antigas raças de bovinos europeus. O pônei Konik da Polônia ocupa o

lugar do tarpan, um cavalo selvagem extinto.

Um projeto análogo procura recriar as estepes da tundra anteriores à última era glacial (parque

pleistocênico, Rússia).

A conservação ex situ e os bancos de germoplasma

A estratégia envolve a coleta de amostras representativas de uma população e sua manutenção em

bancos de germoplasma e/ou jardins botânicos, na forma de sementes, estacas, plantas inteiras etc.

A conservação ex situ se aplica especialmente às plantas cultivadas que se reproduzem por

sementes. Estas podem ser conservadas no frio durante longos períodos de tempo (a 50C durante 20

a 30 anos; de -180C a -200C durante um século). Como a viabilidade das sementes decai com o

tempo, periodicamente devem ser germinadas, desenvolvendo novas plantas e podendo colher

sementes frescas.

Além de facilitar o acesso à informação dos melhoristas, a criopreservação tem a vantagem de

conservar o material em um espaço reduzido e com cuidados intensivos. Mas, devido às limitações

do tamanho das amostras, a conservação dos recursos fitogenéticos pode ser insuficiente. Os custos

são muito altos e inclusive a coleção da Estação Experimental Vavilov (São Petersburgo, Rússia), que

sobreviveu à Segunda Guerra Mundial, enfrenta hoje grandes dificuldades econômicas.


149

Muitas plantas não resistem à dessecação (coco, cacau, cítricos, café, dendê, borracha e 70%

das árvores das florestas tropicais), mas podem ser conservadas graças às técnicas de cultura de

tecidos que também permitem a conservação de plantas de multiplicação vegetativa (raízes, como a

mandioca, tubérculos como a batata, banana, cana-de-açúcar). A criopreservação preserva os tecidos

por tempo indeterminado. As técnicas de análise de DNA têm sido incorporadas tanto nos estudos

de diversidade genética como no controle da duplicação de amostras.

Com o mapeamento do genoma das plantas básicas para a produção agrícola e a disponibilidade

dos dados no domínio público, abrem-se novas perspectivas na conservação dos recursos genéticos.

Existem hoje mais de 1.400 bancos de genes e de germoplasma com mais de 6.000.000 de

amostras. Os principais se encontram nos Estados Unidos, na China, na Alemanha e no Brasil

(Embrapa). Na Noruega, a 1.000 km do Polo Norte, um lugar considerado a salvo de mudanças

climáticas, desastres naturais e guerras, foi criado recentemente o banco de sementes de Svalbard

com capacidade para armazenar 4,5 milhões de amostras, cada uma delas com 500 sementes.

Devido à localização geográfica dos centros de origem e de diversificação, resulta preocupante a

recente multiplicação dos conflitos bélicos (Afeganistão, Iraque) que afetam não só a população local

como comprometem o seu futuro ao devastar a Ásia Menor, uma região de grande biodiversidade e

riqueza genética.

Os bancos de germoplasma podem ajudar a restaurar uma agricultura devastada por conflitos

bélicos. Em Ruanda, um país em que 90% das pessoas dependiam da agricultura e onde eram

conhecidas 600 variedades de feijão, o conflito bélico entre etnias rivais causou, em 1994, a morte de

800.000 pessoas e a migração forçada de dois milhões de pessoas. Durante esse período,

organizações internacionais conservaram, em bancos de germoplasma, as sementes essenciais para a

reconstrução do país.

O CGIAR E O CENTRO INTERNACIONAL DA BATATA

Uma das organizações dedicadas à conservação da biodiversidade e ao desenvolvimento agrícola dos

países em desenvolvimento é a Future Harvest, uma iniciativa com 16 centros localizados em

diversos lugares, porém mantendo uma estrutura descentralizada que favorece a difusão das

informações. Os centros são mantidos pelos governos de 165 países, fundações privadas e

organizações internacionais e regionais que integram o Consultative Group on International

Agricultural Research (CGIAR), apoiado pela Food and Agriculture Organization (FAO).

Os centros do CGIAR na América Latina são: o Centro Internacional para el Mejoramiento del

Maíz y el Trigo (CIMMYT) no México, o Centro Internacional de la Papa (CIP) no Peru e o Centro

Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) na Colômbia.

A batata é originária da região andina. No século XVI chegou à Europa onde, depois de vencer a

resistência da população, transformou-se em um dos poucos alimentos consumidos pela população

mais pobre. Quando em meados do século XIX o fungo Phytophtora infestans infectou as batatas,

desencadeou-se na Irlanda um terrível período de fome, que causou a morte de um milhão de

pessoas e a emigração de boa parte da população.

Hoje, a batata é o quarto cultivo mais importante do mundo, com uma produção anual de 300

milhões de toneladas. Em muitos países, a população depende de batata e de outros tubérculos

(batata-doce) para sua alimentação, por serem relativamente ricos em energia e nutrientes.

O Centro Internacional da Papa (CIP) preserva a batata (Solanum tuberosum), a batata-doce

(Ipomoea batatas) e nove tubérculos ou raízes andinas (Oca, Ulluco, Mashua, Arracacha, Yacon,

Achira, Ahipa, Maca, Mauka). O banco de germoplasma de batata inclui amostras de uma centena de

espécies selvagens coletadas em 8 países de América Latina, além das variedades cultivadas

tradicionalmente pela população andina.


150

Entre os objetivos do CIP se encontra o melhoramento da qualidade nutricional, da resistência a

doenças e a condições climáticas adversas como a seca e a geada. O centro utiliza a biotecnologia

para criar formas adaptadas às condições locais e para acelerar a produção, distribuindo as

variedades tradicionais e melhoradas sob a forma de sementes, tubérculos ou vitroplantas.

Atualmente também estimula as utilizações comerciais das variedades autóctones: distribuição em

pacotes (t’ikapapa), elaboração de chips ou hojuelas a partir de rodelas com um visual variado.

O PROTOCOLO DE CARTAGENA DE BIOSSEGURANÇA

Vigorando desde setembro de 2003, o Protocolo de Cartagena de Biossegurança suplementa a

Convenção sobre a Diversidade Biológica. O acordo contempla o risco potencial decorrente do

transporte e do manuseio de todos os organismos vivos modificados (OVMs) que possam ter um

efeito adverso na conservação e no uso sustentável da diversidade, levando em consideração os

riscos para a saúde humana.

Frente à apreensão suscitada pelo trânsito e movimento dos organismos transgênicos através

de fronteiras, os países membros determinaram que a expressão pode conter OGMs identifique toda

carga proveniente de lavouras transgênicas destinada à alimentação, ração ou processamento.

O Protocolo não cobre os produtos derivados dos transgênicos (como, por exemplo, papel

produzido a partir de árvores transgênicas) nem os transgênicos produtores de fármacos, que são

regulados por outras organizações.

Mediante o Protocolo de Cartagena se estabelece a cooperação internacional, a fim de ajudar os

países em desenvolvimento a utilizar a biotecnologia com segurança, e a regulá-la eficientemente. Os

governos membros se propõem a promover o fluxo de informações e a transferência de tecnologia,

conhecimentos e recursos, mediante o treinamento científico e técnico correspondente.

13. BIOTECNOLOGIA E AGRICULTURA



A EVOLUÇÃO DAS PRÁTICAS AGRÍCOLAS

A agricultura visa a cultura do solo para a produção de plantas ou a criação animais úteis ao homem.

Embora as práticas agrícolas e as plantas cultivadas tenham-se desenvolvido em um período curto da

história evolutiva dos vegetais, pode-se afirmar que as plantas atuais guardam muito pouca

semelhança com suas ancestrais selvagens (Figura 13.1).

FIGURA 13.1. O milho.

O milho de 5.000 a 7.000 anos atrás era bem menor do que o que

conhecemos atualmente. O cruzamento acidental com o teosinto,

uma erva que ainda existe na natureza, teria dado origem ao

milho moderno, que passou por várias modificações até se

estender pela América pré-colombiana. Diversas variedades de

milho persistem até hoje no continente

http://www.learner.org/courses/essential/life/session5/closer1.html

Na Europa, o uso de ferramentas rudimentares prevaleceu até a Idade Média, quando, em função de

várias inovações, as práticas agrícolas se tornaram mais eficientes. Datam deste período o

aproveitamento da força de tração animal, a invenção dos moinhos, a prática de descanso dos solos

e a construção de sistemas de irrigação.

No século XVIII, a integração das atividades agrícolas e a criação de animais originou uma “nova

agricultura” que, além de envolver a utilização de esterco como fertilizante, promoveu a rotação

entre os cultivos de gramíneas, leguminosas e plantas forrageiras.

A incidência do progresso científico e tecnológico caracteriza a agricultura do século XIX,

destacando-se a preocupação com os requerimentos nutricionais das plantas e com as doenças que

afetavam os cultivos e as criações (antraz das ovelhas, cólera das aves, doenças do bicho-da-seda

etc.). Originadas por cruzamentos seletivos, as novas variedades e raças foram comercializadas

internacionalmente a partir de 1850. Com a invenção da máquina a vapor e as primeiras utilizações

da eletricidade, iniciou-se a mecanização do campo.

No início do século XX, o uso do trator se espalhou rapidamente. A substituição da tração animal

pela maquinaria agrícola diminuiu a necessidade de produzir rações, liberando para outros cultivos a

superfície anteriormente dedicada à produção de feno e aveia. Com o redescobrimento das leis de

Mendel e a teoria cromossômica da herança, iniciou-se uma nova era no melhoramento de vegetais

e animais.

O cruzamento entre duas linhagens puras de milho origina um híbrido semelhante às linhagens

parentais, mas com qualidades superiores. Esta propriedade, denominada heterose ou vigor híbrido,

permite a produção de plantas mais produtivas e suficientemente homogêneas, o que facilita a

colheita mecânica (Figura 13.2).

A partir de 1920, surgiram as primeiras empresas comerciais a explorar a heterose do milho

(Estados Unidos, Canadá). Estas selecionavam as linhagens parentais de milho, procediam aos

cruzamentos correspondentes e vendiam as sementes híbridas ao agricultor. A primeira deste tipo

foi a Hi-Bred Corn Company, transformada mais tarde em Pioneer Hi-Bred.


152

FIGURA 13.2. A produção de milho híbrido.

A hibridização permite obter híbridos simples a partir de duas linhagens, e híbridos duplos a partir de quatro linhagens. Existem híbridos múltiplos construídos a partir de pelo menos cinco linhagens.

Como a perda do efeito da heterose diminui a produtividade da descendência das plantas híbridas, o

agricultor passou a comprar anualmente as sementes. Em 1960, o milho híbrido era cultivado, com

raras exceções, em todas as plantações dos Estados Unidos e do Canadá. O melhoramento das

plantas já não dependia daqueles diretamente envolvidos em seu cultivo, mas daqueles que

produziam as sementes.

A década de 1960 está marcada pela “revolução verde”, que salvou da fome mais de 1 bilhão de

pessoas. Em 1970, o engenheiro agrônomo Norman Borlaug recebeu o Prêmio Nobel da Paz pelo

desenvolvimento de uma variedade de trigo de alto rendimento, resistente a doenças causadas por

fungos. O trabalho de Borlaug, que permitiu aumentar a quantidade de alimentos, representa uma

contribuição fundamental para a paz mundial.

Graças ao desenvolvimento e ao cultivo de variedades melhoradas geneticamente houve uma

duplicação da produtividade dos cereais, mas eram necessárias práticas agrícolas complexas

(irrigação, mecanização, aplicação de fertilizantes e pesticidas). Em função do custo de fertilizantes e

agrotóxicos e de sua aplicação em quantidades excessivas, a revolução verde trouxe também

problemas ambientais, sociais e de saúde. Contudo, devido à necessidade de grandes investimentos

de capital para a mecanização e a aplicação de produtos químicos, em muitos países os pequenos

agricultores não chegaram a usufruir a “revolução verde”.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo13: Biotecnologia e agricultura

153

Com a crise do petróleo da década de 1980, o setor de sementes agrícolas é invadido pelas

grandes empresas transnacionais, produtoras de agrotóxicos e fertilizantes. A inversão extraordinária

de recursos do setor privado em pesquisa e desenvolvimento permite a introdução das novas

técnicas de engenharia genética na agricultura. Traspassando as barreiras interespecíficas, a nova

tecnologia facilita a obtenção de plantas mais produtivas ou com propriedades novas. Hoje, a

tecnologia está inserida na semente.

Comercializadas a partir de 1996, as principais plantas transgênicas cultivadas atualmente são a

soja, o milho, a canola e o algodão, com tolerância a herbicidas e/ou resistência a insetos. A área

semeada com estes cultivos se estende por 25 países, dos quais cinco respondem por 43% da

superfície cultivada mundialmente (Brasil, Argentina, Índia, China e África do Sul).

A OBTENÇÃO DE NOVAS VARIEDADES

MUTAÇÃO GÊNICA E SELEÇÃO

O melhoramento está baseado na reprodução seletiva entre indivíduos pertencentes a uma mesma

espécie. Como a variação intraespecífica é limitada, o método clássico envolve a indução aleatória de

mutações por agentes físicos ou químicos. O mutante obtido é cruzado por várias gerações com um

dos tipos parentais (retrocruzamentos), até que este incorpore as características desejadas

(introgressão gênica).

Esse processo demora de cinco a 15 anos e, quando finalizado, o gene selecionado estará

acompanhado por outros, desejáveis ou não. Duas variedades comerciais de batata (Lenape, 1960;

Magnum bonum, 1990), obtidas por este método, tiveram que ser retiradas do mercado devido ao

alto conteúdo de alcaloides, característico das plantas selvagens.

O progresso alcançado na indução de mutações (TILLING, do inglês Targeting induced local

lesions in genomes) e na seleção assistida por marcadores moleculares facilita a obtenção de novas

variedades, como a batata Amflora. A genômica também trouxe avanços notáveis, como a

identificação de 40 genes de resistência a patógenos no tomate, que foram reunidos em um

genótipo único. Contudo, em ambos os casos, trata-se de genes pertencentes à mesma espécie.

ALTERAÇÃO DO NÚMERO DE CROMOSSOMOS

A multiplicação do número de cromossomos (poliploidia) é um fenômeno que acontece

espontaneamente nos vegetais, seja por não disjunção dos cromossomos ou por uma falha da

citocinese durante a divisão celular. Ao longo do processo evolutivo, duplicações dos lotes

cromossômicos originais (autopoliploidia) ocorreram em várias das espécies que são cultivadas

atualmente, tais como a batata ou a cana-de-açúcar.

A multiplicação dos lotes cromossômicos pode ocorrer em híbridos interespecíficos, pouco

férteis ou estéreis, restaurando a fertilidade e gerando uma nova espécie, diferente de ambas as

linhagens parentais (alopoliploidia). Este mecanismo deu origem a plantas como o trigo, a colza, a

aveia, o tabaco, o algodão, o café etc.

A descoberta da colchicina (1935), uma substância que interfere com a formação dos fusos

mitóticos, permitiu a criação de novas espécies poliploides. A hibridização do trigo e do centeio,

seguida de uma duplicação cromossômica, originou o triticale, uma planta que reúne a qualidade do

grão do primeiro e a rusticidade do segundo.

Outra forma de alteração do número de cromossomos é a cultura de anteras, para a obtenção

de plantas haploides. Essa tecnologia permite identificar mutantes recessivos e obter rapidamente

variedades diferentes por hibridização ou duplicação cromossômica.


154

ENGENHARIA GENÉTICA

À medida que a distância entre as espécies aumenta, os cruzamentos se tornam cada vez mais

difíceis; a transferência dos genes pode exigir o uso de técnicas complexas, como a fusão de

protoplastos (hibridização somática) e o cultivo de embriões. Quando os recursos genéticos provêm

de outros organismos distantes na escala evolutiva (plantas, microrganismos ou animais), sua

transferência demanda a utilização da engenharia genética ou tecnologia do DNA-recombinante.

Qual a diferença entre uma planta obtida por cruzamento seletivo e outra por engenharia

genética? Na primeira, genes da mesma espécie ou de uma espécie muito próxima se introduzem

aleatoriamente. Na segunda, se incorpora diretamente um transgene, isto é uma construção gênica

que pode provir de uma espécie distante. Trata-se de uma tecnologia poderosa demais para ser

negligenciada.

A construção de uma planta transgênica começa com o isolamento e caracterização do gene de

interesse (transgene) e a construção de uma estrutura genética complexa, incluindo também um

gene promotor e um gene marcador. O primeiro possibilita a transcrição do transgene e determina

se este irá se expressar em todas as células ou somente em alguns tecidos. O segundo permite

selecionar as células transformadas.

A construção genética é transferida às células receptoras por algum dos métodos possíveis

(eletroporação, biolística ou uso de vetores, como o plasmídeo Ti de Agrobacterium tumefaciens). As

células transformadas são recuperadas procedendo-se à regeneração das plantas mediante as

técnicas de cultura in vitro (Figura 13.3). O trabalho laboratorial é realizado com plantas cujo

genótipo favoreça a transformação e a regeneração da planta transformada, mas que geralmente

resultam pouco vantajosas do ponto de vista agronômico.

FIGURA 13.3. As etapas da construção de uma planta transgênica.


155

Mediante técnicas bioquímicas e/ou acompanhamento de marcadores moleculares

(polimorfismos na molécula de DNA, repetição de sequências) constata-se a transferência gênica,

assim como o número de cópias e o lugar em que estas se integraram no genoma, dois aspectos que

podem influir na expressão gênica. Considera-se alcançado o sucesso quando o transgene se

expressa no lugar correspondente e com um adequado nível de atividade, restando por verificar a

estabilidade da expressão gênica e o seu valor agronômico.

Acabada a etapa de laboratório, iniciam-se os testes controlados em casa de vegetação, para

selecionar as plantas-mãe das quais procederão várias gerações de retrocruzamentos seletivos com

alguma das linhagens elite, visando a obtenção de uma linhagem transgênica de alto rendimento,

adaptada a um contexto específico. O resultado é uma variedade ou cultivar que expressa o traço

codificado pelo gene exógeno (transgene) e apresenta um potencial de produtividade parecido ao da

linhagem elite.

Conceitualmente, estes testes são semelhantes aos efetuados no processo de melhoramento

tradicional. Contudo, a utilização de técnicas de cultura in vitro e de marcadores moleculares na

caracterização da progênie permitem que sejam completados bem mais rapidamente.

Dá-se início então à liberação planejada no meio ambiente, abrangendo o cultivo das plantas

transgênicas em experimentos protegidos e testes de campo, realizados em diferente escala, até a

nova variedade estar pronta para o seu cultivo comercial. A liberação do cultivo dependerá da

autorização da legislação local, geralmente bastante restrita a esse respeito.

No Brasil, esta autorização é dada pela Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio),

definida pela Lei de Biossegurança como o órgão multidisciplinar responsável pelo controle dessa

tecnologia no país (Lei 11.105/2005, Política de desenvolvimento da Biotecnologia; Decreto

6.041/2007).

A história mostra que as plantas cultivadas pouco têm a ver com as que lhes deram origem e se

encontram na natureza, sendo o resultado de milhares de anos de seleção artificial pela mão do

homem. Em relação aos métodos tradicionais, as biotecnologias modernas permitem a transferência

de genes entre espécies, facilitam sua identificação na progênie e aceleram o processo seletivo. O

objetivo é o mesmo, com métodos mais apurados.

O PRINCÍPIO DE PRECAUÇÃO

Poucas tecnologias suscitaram tanta polêmica como a introdução de organismos geneticamente

modificados (OGMs) na agricultura, uma questão que não pode ser tratada levianamente. Um cultivo

biotecnológico demora anos até ser comercializado, sendo analisado cuidadosamente em cada etapa

de sua construção. Além de conhecimentos e anos de trabalho, a construção de uma planta

transgênica exige o consenso das numerosas pessoas que participam no processo e a aprovação da

autoridade correspondente.

Ainda hoje, parte da opinião pública considera que as plantas transgênicas não deveriam ter

sido introduzidas no ambiente, nem utilizadas para o consumo humano, enquanto existir a mínima

suspeita de risco. Levando o raciocínio ao extremo, enquanto não se demonstrar a ausência de

riscos. Boa parte dessa hostilidade às plantas transgênicas se apoia no princípio de precaução, um

princípio que pode ser entendido de diversas maneiras. Podemos dizer, de maneira simplista, que

“havendo a possibilidade de me acontecer alguma coisa ruim na rua, melhor ficar em casa”, ou que

“havendo a possibilidade de me acontecer alguma coisa ruim na rua, ao sair de casa é melhor ter

cuidado e prestar atenção no sinal, nos carros, nas bicicletas que circulam na contramão e, também,

no bandido”. Note-se que a decisão de “não sair de casa” também envolve riscos, tais como

escorregar e levar um tombo no banheiro, queimar-se ao acender o fogão ou receber um vírus via

Internet. Não existe risco zero, toda ação tem riscos que devem ser analisados e gerenciados.


156

No Brasil, o cultivo de plantas transgênicas é regido pela lei de Biossegurança que estabelece a

observância do princípio da precaução para a proteção do meio ambiente. O Princípio 15 da

Declaração do Rio de Janeiro sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável (1992) diz o

seguinte: “De modo a proteger o meio ambiente, o princípio da precaução deve ser amplamente

observado pelos Estados, de acordo com as suas capacidades. Quando houver ameaça de danos

sérios ou irreversíveis, a ausência de absoluta certeza científica não deve ser utilizada como razão

para postergar medidas eficazes e economicamente viáveis para prevenir a degradação ambiental”.

Diferente da prevenção, que trata de riscos conhecidos, a precaução contempla riscos

potenciais. Mesmo havendo incertezas ou falta de unanimidade entre os expertos, o princípio de

precaução demanda ações concretas para a proteção do meio ambiente.

Por outro lado, o Princípio 10 da mesma declaração nos diz que: “A melhor maneira de tratar

questões ambientais é assegurar a participação, no nível apropriado, de todos os cidadãos

interessados. No nível nacional, cada indivíduo deve ter acesso adequado a informações relativas ao

meio ambiente de que disponham autoridades públicas, inclusive informações sobre materiais e

atividades perigosas em suas comunidades, bem como a oportunidade de participar em processos de

tomada de decisões. Os Estados devem facilitar e estimular a conscientização e a participação

pública, colocando a informação à disposição de todos. Deve ser propiciado acesso efetivo a

mecanismos judiciais e administrativos, inclusive no que diz respeito à compensação e reparação de

danos”.

Vários pontos merecem ser destacados: admite-se a incerteza e a falta de unanimidade entre os

expertos, afirma-se o direito de todos à informação e pede-se a participação, no nível apropriado, de

todos os cidadãos interessados. A responsabilidade pela tomada de decisões não será

exclusivamente de um grupo de indivíduos, sejam estes cientistas, administradores, empresários,

políticos ou comunicadores. Terá que ser democraticamente assumida por um grupo heterogêneo

que represente os interesses da sociedade, mesmo tendo que abrir as portas ao marketing, aos

lobbies e à pressão dos grupos políticos, ambientalistas ou não.

Considerado por alguns grupos de opinião como um dos alicerces do desenvolvimento

sustentável e uma proteção contra o controle da tecnologia pelas grandes empresas, o princípio de

precaução também é visto por outros como um obstáculo ao progresso e uma tentativa de

protecionismo.

A formalização do princípio mediante uma estrutura jurídica, como a lei de biossegurança, assim

como o estabelecimento de normas, regras e procedimentos claros é a melhor maneira de gerenciar

o desenvolvimento tecnológico, minimizando os riscos correspondentes.

AS PLANTAS BIOTECNOLÓGICAS ATUAIS

As plantas biotecnológicas apresentam traços, inseridos como transgenes, que visam modificar suas

propriedades agronômicas e/ou melhorar suas qualidades nutricionais, industriais ou ambientais.

Poderiam escapar dos limites do plantio e suplantar as plantas silvestres, tornando-se invasoras?

Existe o precedente de plantas ornamentais se transformarem em pragas quando introduzidas,

inadvertidamente, em um ambiente novo: a lantana prolifera descontroladamente na Austrália; o

kudzu, procedente do Japão, se espalha no sul dos Estados Unidos; e o rododendro, originário da

península ibérica, se multiplica na Inglaterra.

Além da degradação ambiental devida ao desmatamento, à jardinagem ou à agricultura, para

que o cenário se repetisse seriam necessárias várias características hereditárias, que são

sistematicamente eliminadas como fatores indesejáveis nas plantas cultivadas (dormência da

semente, plasticidade fenotípica, crescimento indeterminado, florescimento e produção contínua de

sementes etc.).


157

Com o objetivo de reduzir o risco futuro de introduzir um gene que transforme uma planta

normal em praga, a FAO (Food and Agriculture Organization) estabeleceu uma série de diretrizes,

cumpridas em 130 países, que se aplicam também a insetos, bactérias e fungos. Nenhum dos cultivos

biotecnológicos disponíveis no mercado se mostrou persistente ou invasor nos testes prévios a sua

comercialização ou no monitoramento posterior.

MODIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES AGRONÔMICAS

Os principais cultivos comercializados atualmente são a soja, a canola, o milho e o algodão. As

propriedades agronômicas transformadas são a tolerância a herbicidas, a resistência a insetos, a

resistência a vírus, o amadurecimento tardio, o conteúdo e a qualidade do óleo, a tolerância à seca e

à salinidade etc.

O aumento da produtividade dos cultivos é fundamental porque significa um aumento da

produção de alimentos e, também, porque se trata de plantas de uso industrial que podem ser

exportadas, gerando divisas.

Tolerância a herbicidas

O crescimento das ervas daninhas no campo é prejudicial por dois motivos: competem pelos mesmos

nutrientes e contaminam a colheita. O agricultor pode eliminá-las aplicando herbicida antes do

plantio, uma prática que demanda o revolvimento prévio do solo, acelerando a erosão.

Contudo, se uma planta for tolerante a um herbicida de amplo espectro, bastará semeá-la e

aplicar o herbicida depois da germinação. Esta característica é compatível com a adoção do plantio

direto na palha e outros restos vegetais, um sistema no qual as sementes e os fertilizantes são

depositados em sulcos, sem preparação do solo. Em vários países, comercializam-se sementes

transgênicas de soja, de milho, de algodão e de canola tolerantes a herbicida.

O herbicida não seletivo mais utilizado é o glifosato, que está presente em vários produtos

comerciais, tais como Roundup®, Buccaneer®, Rodeo®, Accord® etc. Sua ação inibitória sobre

sistemas enzimáticos exclusivamente vegetais permite eliminar as ervas daninhas, anuais e perenes.

Considerado pouco tóxico em caso de exposição oral ou de inalação, o glifosato é degradado

rapidamente no ambiente.

Sementes de plantas tolerantes ao glifosato são comercializadas com o nome de

RoundupReady® (RR) pela empresa Monsanto. Com o vencimento, no ano 2000, da patente do

Roundup® e o aparecimento no mercado de outras variações do produto, mais accessíveis para o

agricultor, as vendas geminadas das sementes e o herbicida tendem a se desfazer. Por outro lado, a

BayerCropScience comercializa, com o nome Liberty Link, sementes tolerantes ao glufosinato, um

herbicida presente em outro grupo de produtos (Basta®, Liberty®, Ignite® etc.).

Glifosato e glufosinato não são os únicos herbicidas no mercado. Existem outras substâncias, do

grupo das imidazolinonas, cuja tolerância tem sido transferida recentemente à soja Cultivance®, um

empreendimento da Embrapa e da Basf que será comercializado a partir de 2011. Ao diminuir a

aplicação dos agroquímicos tradicionais, os cultivos biotecnológicos favorecem a conservação dos

recursos ambientais.

A aprovação de plantas transgênicas é considerada caso a caso, em função de uma análise de

riscos. Sua vantagem sobre as plantas silvestres depende da presença de um agente seletivo, como

um herbicida ao qual elas sejam tolerantes. Sem o herbicida, ou fora de seu alcance, as plantas

geneticamente modificadas não têm nenhuma vantagem sobre as plantas silvestres nem conseguem

competir com estas em ambientes naturais.


158

Contudo, o fluxo gênico em sentido contrário é preocupante, porque plantas silvestres

tolerantes a herbicida poderiam competir no terreno com as plantas cultivadas, tornando-se ervas

daninhas. Algumas plantas, como a trapoeraba (Commelina benghalensis) são naturalmente

resistentes ao glifosato. Admite-se, no entanto, que a aparição de resistência em pelo menos 15

espécies poderia ter sido causada pela transferência do gene correspondente, das plantas cultivadas

às plantas silvestres. No Brasil, há relatos sobre resistência ao glifosato no azevém (Lolium

multiflorum) e na buva (Conyza bonariensis e C. canadiensis).

A aparição de plantas resistentes ao glifosato, que é o herbicida mais utilizado no mundo, está

sendo acompanhada com atenção. Estima-se que, depois de 10 a 20 anos de uso intenso, seja

inevitável o aparecimento de plantas silvestres tolerantes. Contudo, o agricultor pode retardar a

aparição dessa tolerância, mediante algumas ações preventivas: rotar as culturas, evitar o uso

repetido do mesmo herbicida, aplicar as doses adequadas em condições meteorológicas propícias,

acrescentar outras modalidades de controle etc.

Resistência a insetos

Os insetos causam quebras de safra estimadas em 20-40% das colheitas. Contudo, o controle

mediante o uso de agrotóxicos tem causado problemas no ambiente e na saúde humana, sendo

portanto necessário encontrar métodos alternativos de combate.

Muitos agricultores, inclusive entre os orgânicos, protegem há mais de 40 anos suas colheitas

com um inseticida biológico, que é uma toxina produzida pelo Bacillus thuringiensis, um

microrganismo do solo. Uma vez ingerida pelos insetos ou lagartas, a toxina age no sistema

digestório matando-os em poucos dias. Para o ser humano, ela não tem efeito algum. O produto

comercial é vendido com os nomes de Dipel®, Thuricida® ou Vectobac®.

Uma vez transferido o gene codificador da toxina do Bacillus thuringiensis às plantas, estas

passam a produzi-la diretamente. Denominadas plantas Bt, estas são comercializadas com diferentes

nomes como, por exemplo, algodão Bollgard® e milho Yieldgard®, da Monsanto, milho Agrisure®, da

Syngenta.

Existem diversas versões do gene Cry, codificando toxinas muito específicas, efetivas em

diferentes ordens de insetos. Algumas variedades (YieldGard®, Agrisure®) diferem pela posição do

transgene, o que caracteriza diferentes eventos e permite a comercialização com nomes diferentes.

Uma das vantagens das variedades Bt sobre as variedades convencionais está na menor

quantidade de micotoxinas (aflatoxina e fumonisina) perigosas para a saúde humana, em função da

diminuição da contaminação por fungos dos ferimentos causados por insetos.

Todo inseticida age como agente seletivo, sendo inevitável a aparição de insetos resistentes.

Duas estratégias são possíveis a fim de evitar ou retardar a aparição de larvas resistentes à toxina do

Bacillus thuringiensis. Uma delas visa eliminar diretamente o inseto, mediante variedades Bt que

produzam uma quantidade de toxina maior que a dose aplicada habitualmente como inseticida.

A outra segue um caminho indireto, semeando variedades convencionais (não Bt) em espaços

predeterminados, que serão refúgios onde os insetos não entrem em contato com a toxina. Em vez

de tentar eliminar o inseto, diminui-se a infestação mediante uma pressão seletiva mais frouxa que

mantém a sensibilidade ao inseticida em uma proporção considerável da população. Hoje, a

manutenção de refúgios nas lavouras de plantas Bt (algodão, milho) é uma prática bem estabelecida

para o controle de insetos.

O gerenciamento dos riscos envolve algumas medidas complementares que visam amortecer o

impacto eventual do fluxo gênico a outros cultivos. Vimos anteriormente que um gene que confere

tolerância a um herbicida não é vantajoso em ausência do mesmo, mas o que ocorreria em se

tratando de um gene que conferisse algum valor adaptativo, tal como a produção de um inseticida?


159

O risco de polinização cruzada depende da espécie, sendo mais fácil de acontecer no milho, em

que o pólen se dispersa levado pelo vento, do que na soja ou no trigo, em que há autofecundação. A

presença de espaços ou corredores de isolamento evita a disseminação de pólen transgênico não só

para as variedades silvestres como, também, para as convencionais, evitando prejuízos significativos

para o agricultor que os comercializa.

O tamanho dos espaços ou corredores de isolamento depende das características reprodutivas

da espécie em questão e de fatores ambientais, como o vento. No caso do milho, por exemplo, se

estima que o risco de polinização cruzada entre os cultivos passa de 1% a zero quando a distância

entre ambos aumenta de 100 a 1.000 pés.

A probabilidade de ocorrer o fluxo gênico aumenta se houver, na proximidade, espécies

silvestres compatíveis. Por isso devem-se extremar os cuidados em relação ao cultivo de plantas

geneticamente modificadas nos lugares onde existam variedades silvestres aparentadas, tais como a

batata no Peru, o milho no México, o arroz na Índia, a soja na Coreia e na China. No Brasil, onde

existem variedades silvestres do algodão, a CTNBio delimitou zonas de exclusão para o cultivo de

algodão biotecnológico.

Em relação à vida silvestre, apesar do estardalhaço causado oportunamente pela notícia de que

as borboletas monarcas seriam afetadas pelo contato com pólen de plantas de milho Bt, segundo os

próprios autores do estudo, trata-se de uma experiência laboratorial desenvolvida em condições

diferentes das de um ambiente natural.

Resistência a vírus

Assim como a vacinação, a resistência a vírus está baseada na transferência de uma parte do genoma

viral a fim de inibir sua reprodução. A produção em excesso da proteína de revestimento viral inibe a

síntese de seu material genético. Esta tecnologia foi utilizada para erradicar viroses da batata, da

beterraba, do pepino, do tomate, da couve-flor e do melão.

Os produtos hortícolas têm recebido menos atenção que os cereais e as leguminosas em função

da resistência do consumidor à tecnologia e, também, do alto custo da construção de uma planta

transgênica para cultivos com pequena produção. Contudo, as variedades de papaia resistente a

vírus (UH Rainbow, UH SunUp), comercializadas nos Estados Unidos, salvaram o Estado do Havaí de

um desastre econômico.

No Brasil, a CTNBio autorizou recentemente o cultivo do feijão tolerante ao vírus do mosaico

dourado. Aguarda-se a liberação do mamão resistente ao vírus da mancha anelar. Ambos foram

desenvolvidos pela Embrapa.

Eventos combinados

A inserção de um traço é considerada um evento que demanda a aprovação das autoridades

correspondentes. Novidade no mercado, as plantas “piramidadas” apresentam vários eventos

combinados, tais como tolerância a dois herbicidas, tolerância a herbicida e resistência a insetos, ou

resistência a dois tipos de insetos, um que ataca a raiz e outro a parte superior da planta.

O mais recente lançamento é o milho Genuity SmartStaxTM (Monsanto, DowAgroSciences), que

reúne oito genes para o controle de pragas acima e abaixo do solo, e a tolerância a herbicidas para o

controle de plantas daninhas.


160

PLANTAS COM QUALIDADES NUTRICIONAIS MELHORADAS

Uma segunda leva de plantas transgênicas contempla a modificação das qualidades das plantas, isto

é, das propriedades que interessam ao consumidor como, por exemplo, o melhoramento da

qualidade nutricional, a redução de alérgenos, modificações do tempo de conservação e das

características organolépticas, a adequação ao processamento industrial dos óleos e amidos etc.

Em 1974, a variedade Tower de Brassica napus recebeu o nome de canola (do inglês “canadian

oil, low acid”). Trata-se da colza, uma planta oleaginosa que a modificação genética tornou

comestível, ao diminuir o teor de ácidos graxos saturados e a quantidade de glucosinolato.

Modificações posteriores originaram numerosas variedades que diferem na composição dos ácidos

graxos, sendo algumas delas também tolerantes a herbicidas.

Entretanto, o principal marco no desenvolvimento deste tipo de transgênicos é o arroz com

vitamina A (Golden Rice), que provavelmente chegará ao mercado em 2014. A carência de vitamina A

decorrente de uma dieta baseada exclusivamente no arroz causa a cegueira irreversível e a morte de

milhões de crianças na Ásia. A inserção de dois genes de narciso e um gene bacteriano em uma

variedade de arroz indica deu origem a um grão amarelado contendo -caroteno, que é um dos

precursores da vitamina A. Considerado um empreendimento humanitário, várias empresas

cederam, nos países em desenvolvimento, os seus direitos sobre as patentes envolvidas na

construção do arroz dourado.

Espera-se que sejam produzidas plantas com outras alterações no teor de nutrientes: arroz

contendo ferro, milho enriquecido com os aminoácidos lisina e triptófano e batata com alto teor de

proteínas com metionina e lisina. Em 2005, a Monsanto anunciou ter obtido a variedade de soja

Vistive® com baixo teor de ácido linolênico, o que torna o óleo mais estável e dispensa a

hidrogenação, uma fonte de gordura trans. Este óleo de soja é utilizado como ingrediente de

biscoitos (Cargill e Kellogg’s).

A China desenvolveu e liberou recentemente o milho com fitase para integrar as rações animais.

Este milho permitirá a assimilação de fosfatos pelos suínos, melhorando a produtividade do rebanho

e diminuindo a poluição ambiental.

PLANTAS COM PROPRIEDADES NOVAS

Existe uma terceira leva de plantas biotecnológicas desenvolvidas especialmente para desempenhar

o papel de fábricas biológicas, produzindo fármacos, vacinas e plásticos. Estão em andamento os

testes de campo com alfafa, milho, arroz, tabaco, banana e batata.

Para evitar a contaminação acidental dos alimentos, essas plantas terão que ser cultivadas em

confinamento e processadas separadamente das plantas comuns. Formas alternativas de evitar a

disseminação do transgene no pólen estão sendo desenvolvidas, tais como sua inserção no DNA dos

cloroplastos. As proteínas extraídas e purificadas serão utilizadas pela indústria farmacêutica. Uma

regulação estrita deverá controlar o cultivo, o transporte e a distribuição destas plantas.

Os sistemas que poderiam tornar as plantas estéreis despertaram uma forte reação contrária na

opinião pública (sistemas de proteção tecnológicos ou TPSs, do inglês technology protection systems;

tecnologias de uso genético restrito ou GURTs, do inglês, genetic use restriction technologies). No

entanto, é possível que voltem a ser considerados em relação a este tipo de plantas biotecnológicas.


161

O AGRONEGÓCIO

A ADOÇÃO DOS CULTIVOS BIOTECNOLÓGICOS NO MUNDO

As primeiras plantas transgênicas datam de 1995 (resistência a insetos) e 1996 (tolerância a

herbicidas). Embora sua utilização tenha suscitado polêmicas acirradas, em quinze anos a área

semeada com cultivos biotecnológicos aumentou progressivamente até chegar a 148 milhões de

hectares, em 2010. Segundo o International Service for the Aquisition of Agri-Biotech Applications

(ISAAA), uma organização internacional que divulga anualmente os dados correspondentes à adoção

dos cultivos biotecnológicos no mundo, em 2010 foram dez os países que semearam mais de um

milhão de hectares: Estados Unidos, Brasil, Argentina, Índia, Canadá, China, Paraguai, Paquistan,

África do Sul e Uruguai. O mercado global de sementes biotecnológicas alcançou US$ 11,2 bilhões e o

dos principais cultivos (soja, milho, algodão) se aproximou de US$ 150 bilhões.

Os cultivos biotecnológicos possibilitaram o aumento da produção agrícola e melhoraram as

condições económicas dos agricultores. Mais de 90% dos 15,4 milhões de fazendeiros que plantaram

sementes biotecnológicas são pequenos produtores rurais, especialmente na China, na Índia, nas

Filipinas e na África do Sul. Os outros são grandes produtores de países industrializados, como os

Estados Unidos e o Canadá, e de países emergentes como Argentina e Brasil.

Nos países onde a mão de obra agrícola está constituída principalmente por mulheres, os

cultivos biotecnológicos melhoraram suas condições de vida, ao permitir que elas dedicassem mais

tempo ao cuidado das crianças ou a outras atividades. Os problemas de saúde causados pela

contaminação ambiental com agrotóxicos diminuíram em função de uma redução de 14% na

aplicação de inseticidas, sendo que em alguns casos esa diminuição teria chegado a 50% (China,

Argentina).

Com a liberação da comercialização do arroz Bt na China e do feijão resistente à vírus no Brasil,

inicia-se uma nova etapa que contempla as principais fontes de alimento locais. Encontram-se em

andamento vários estudos, sobre o grão de bico na África, a berinjela na Índia, o milho resistente à

seca nos Estados Unidos e na África sub-sahariana.

Calcula-se que o número de países produtores de cultivos biotecnológicos passe de 29 em 2010

a 40 em 2015, ano dos Objetivos do Milênio, um compromisso da sociedade em reduzir à metade a

fome e a pobreza.

O MERCADO DE SEMENTES

Os gigantes gênicos

Nos países do continente africano e de parte da Ásia, em que a agricultura é a principal fonte de

alimentos, os pequenos agricultores dependem das sementes; na época da colheita eles separam

uma parte que será conservada para o plantio do próximo ano.

Nos países desenvolvidos, a proporção da população dedicada às tarefas agrícolas é bem menor,

devido à mecanização do campo. A agricultura de subsistência cede lugar a um enorme complexo

agroindustrial, que integra outras atividades, como a venda de insumos (maquinarias, produtos

químicos, sementes etc.) e a transformação e distribuição de produtos.

Embora a produção de sementes como atividade lucrativa remonte ao século XIX, é o milho

híbrido que inicia a dependência do agricultor das empresas produtoras de sementes. As construções

genéticas que conferem vigor (heterose) às plantas forçam o agricultor, ano após ano, a comprar

novas sementes.


162

A transgênese não inviabiliza a utilização de sementes para o ano seguinte. No entanto, as novas

tecnologias inseridas no grão devem ser pagas mediante complexos sistemas de royalties às

empresas detentoras das patentes correspondentes. Quem irá pagar? Quanto e quando e como

pagar? A resposta tem suscitado vários conflitos entre as grandes corporações e países como

Argentina e Brasil.

Logo depois da crise do petróleo da década de 1980, as grandes empresas transnacionais

produtoras de agrotóxicos e fertilizantes químicos entraram na área agrícola. Uma das razões é que o

mercado de sementes tem uma margem de lucro maior. Outra é que leva menos tempo desenvolver

uma planta geneticamente modificada que um produto químico novo.

Vários ciclos de fusões caracterizaram um processo de concentração e consolidação em que

centenas de pequenas empresas foram absorvidas por enormes conglomerados, produtores de

agroquímicos e de sementes, com ramificações na indústria farmacêutica. Na linha de frente em

relação às novas tecnologias, estas empresas concentram um enorme poder que desperta uma forte

resistência na opinião pública.

Denominadas Gigantes Gênicos (do inglês, Gene Giants), as principais empresas produtoras de

sementes são Monsanto, Syngenta, Dow AgroSciences, DuPont e Groupe Limagrain. As sementes

biotecnológicas representam 30% do mercado mundial de sementes, estimado em US$ 47 bilhões

em 2015.

A cadeia produtiva da semente

Cada país desenvolve variedades adaptadas a seus solos e condições climáticas. Uma vez aprovados

e registrados, esses cultivares poderão ser disponibilizados para os agricultores. O processo de

amplificação do número de sementes, estritamente regulamentado, contempla várias etapas de que

participam diferentes entidades do setor público ou privado (Figura 14.4).

FIGURA 14.4. Os elos que integram a cadeia produtiva da semente.

Diversa estrutura empresarial

Diversa estrutura empresarial

Estado (Institutos de pesquisa, universidades)

Empresas nacionais (Sociedades, cooperativas e empresas familiares)

Empresas internacionais

Inventores / Obtentores

Multiplicadores

Produtores e comerciantes

Agricultores


163

No caso da característica transgênica, esta precisa da aprovação das instâncias legais

competentes, antes de ser transferida para os cultivares locais e passar por todo o processo de

multiplicação, certificação e registro, para poder chegar até o agricultor e este iniciar o plantio.

A cadeia produtiva da semente envolve inventores e obtentores, multiplicadores, produtores e

comerciantes de sementes e agricultores. A qualidade das sementes é estabelecida pela legislação e

pelas agências de certificação de sementes, que garantem ao comprador sementes dentro dos

padrões.

A UNIÃO EUROPEIA E A MORATÓRIA

Nos Estados Unidos, três agências controlam e regulamentam o uso das novas tecnologias genéticas:

USDA (United States Department of Agriculture), EPA (Environmental Protection Agency) e FDA

(Food and Drug Administration). A resistência aos cultivos transgênicos é inexistente ou muito baixa,

sendo plenamente adotados desde 1996.

Na União Europeia, a resistência aos cultivos transgênicos é muito alta. Uma moratória

suspendeu em 1999 o cultivo de novas variedades transgênicas assim como a comercialização de

seus produtos, porém sem atingir algumas variedades autorizadas anteriormente para cultivo,

importação ou utilização na produção de alimentos ou de rações.

O primeiro passo para o levantamento da moratória foi dado em 2003, com o estabelecimento

de normas de rotulagem e de rastreamento de traços transgênicos e com a implantação de diretrizes

para o cultivo de plantas transgênicas, de maneira a minimizar a contaminação dos campos de

cultivos orgânicos e convencionais. A aprovação da importação, em 2004, de um milho transgênico

enlatado para o consumo humano (milho Bt resistente a insectos da empresa Syngenta) representa

um segundo passo. Na realidade, esse milho já estava autorizado para entrar sob a forma de óleo ou

de outros derivados. Mas abriu uma brecha para novos pedidos de autorização de produtos

alimentícios e de milho e colza resistentes a herbicidas.

Em 2010, seis países da União Europeia (Espanha, Portugal, República Tcheca, Polônia,

Eslovaquia e Rumanía) produziram milho biotecnológico e outros três (Alemanha, Suécia e República

Tcheca) cultivaram a batata Amflora.

OS PAÍSES DE AMÉRICA LATINA

Em América Latina (Brasil, Argentina, Paraguai, Uruguai, Bolivia, Colômbia, Chile, Honduras e Costa

Rica), os cultivos biotecnológicos são a soja, o milho e o algodão. Se bem o desenvolvimento das

sementes depende geralmente do setor privado, em vários países (Argentina, Brasil, México) o setor

público começou a generar suas própias variedades, respondendo à demanda local.

Argentina e Brasil contam com uma comunidade acadêmica com um alto nível científico e

tecnológico ativo nas universidades e nos centros de pesquisa, com empresas de tradição histórica

na difusão da tecnologia agropecuária (Inta, Embrapa) e com condições econômicas limitadas pelas

sucessivas crises políticas. Em ambos os países, numerosas empresas privadas ocupam lugares de

destaque em diferentes setores do mercado biotecnológico. A existência de convênios e programas

de intercâmbio científico tende a elevar o nível das atividades científicas e tecnológicas.

Ao longo dos primeiros quinze anos de implantação das novas tecnologias agrícolas, cada país

seguiu sua própria trajetória até estabelecer as normas legais que garantem o progresso em

condições seguras.


164

A COEXISTÊNCIA É POSSÍVEL?

Todos os sistemas agrícolas exercem algum impacto sobre o meio ambiente. No entanto, uma

agricultura sustentável pode minimizar os efeitos negativos da produção agrícola, restaurando a

fertilidade e limitando a erosão da terra.

Algumas práticas agrícolas já são compartilhadas pelas diversas modalidades agrícolas (orgânica,

industrial ou de precisão), incluindo a rotação de culturas, a adubação verde, o manejo de pragas e

de nutrientes, o plantio direto com uma cobertura na superfície do solo etc. Outras são específicas,

como, por exemplo, a proibição para os produtores orgânicos de utilizar sementes geneticamente

modificadas ou de cultivar terrenos onde previamente tenham sido plantadas culturas

biotecnológicas.

Cultivos convencionais e biotecnológicos ocupam diferentes faixas de mercado e crescem em

função das oportunidades econômicas. A proporção de variedades convencionais e biotecnológicas

varia nos principais cultivos industriais, que são a soja, o algodão, o milho e a canola.

A contaminação de um cultivo convencional por um cultivo biotecnológico acarreta perdas

consideráveis para o agricultor. Medidas de proteção são tomadas, envolvendo o distanciamento dos

cultivos e a manutenção de faixas de exclusão de diferente tamanho, segundo as características da

fecundação, autopolinização ou polinização cruzada. Testes genéticos e imunológicos permitem

identificar a presença de organismos geneticamente modificados em uma carga de cultivos

convencionais. O objetivo de ambas as medidas é reduzir a presença de sementes adventícias a um

limite comercialmente aceitável (0,9%).

Os modelos de regulação dos cultivos tradicionais, orgânicos e biotecnológicos são considerados

de índole econômica, porque dão ao agricultor a possibilidade de escolher a modalidade que melhor

lhe convier. Não envolvem biossegurança, porque esta é analisada no momento da aprovação da

variedade biotecnológica, uma vez satisfeitas as normas legais. Um modelo de regulação, baseado

em normas de coexistência, tem sido desenvolvido na Espanha (2005).

14. BIOTECNOLOGIA E PECUÁRIA



A CRIAÇÃO DE ANIMAIS

A criação de animais domésticos para a alimentação se limita a um pequeno número de espécies de

mamíferos, ruminantes (bovinos, ovinos, caprinos) e monogástricos (suínos, coelhos e aves), de

peixes, de crustáceos e de mariscos. Também se criam animais para a prática de esportes (cavalos) e

como companhia (gatos, cachorros, pássaros, peixes).

Os grandes estabelecimentos agrícolas praticam a tradicional cultura extensiva de gado (bovino,

ovino, caprino) em pradarias e pastagens, enquanto os menores tendem a investir em culturas

intensivas de altos rendimentos (gado leiteiro, aves, suínos e peixes) que degradam o ambiente.

A produção agrícola depende também de fatores econômicos e sociais. À medida que melhora o

nível de vida da população, mudam os padrões de consumo e, consequentemente, a atividade

agropecuária. Estima-se que entre 1993 e 2020, o consumo de carne nos países em desenvolvimento

será duplicado. Pequenas empresas familiares serão substituídas por outras de produção intensiva,

orientadas a satisfazer o mercado urbano. A criação de ruminantes diminuirá em relação à criação de

aves e suínos. Essas mudanças exigirão maior eficiência na seleção, no gerenciamento das empresas

e nos cuidados com a alimentação e a saúde dos animais.

Nos países desenvolvidos, o objetivo primordial é aumentar ou equilibrar a quantidade de

produtos (leite, ovos, carne e lã) e, simultaneamente, diminuir os custos. Em relação aos métodos

produtivos, isso significa reduzir o número de animais, a necessidade de trabalho e o impacto

causado pelas doenças.

As biotecnologias se inserem na alimentação e na conservação da saúde dos animais,

possibilitando também o controle da reprodução e a aceleração da seleção genética. Perspectivas

novas surgem com a utilização dos animais como biorreatores, para a produção de fármacos.

A NUTRIÇÃO DOS ANIMAIS

A NECESSIDADE DE RAÇÕES

A criação e engorda de gado de corte nas pastagens é uma opção possível para países com grandes

extensões territoriais, tais como a Argentina, a Austrália, o Brasil, ou a Nova Zelândia. O alimento

básico do gado é o capim, que cresce de maneira desigual ao longo das quatro estações do ano.

Como o número de cabeças depende do alimento, nos períodos em que falta capim deve-se

suplementar a dieta do rebanho com feno (forragem dessecada), silagem (forragem e grãos

fermentados), grãos, concentrados e/ou resíduos agroindustriais.

Por outro lado, à medida que a agricultura invade as áreas de pastagem, a pecuária recorre aos

regimes de semiconfinamento ou confinamento, estabelecendo como objetivo primordial o aumento

da produtividade (gado leiteiro, aves e suínos). Parte dos cultivos de cereais (milho) e de leguminosas

(tortas de soja, algodão, colza e girassol) é utilizada como ração, para suprir as necessidades

proteicas e energéticas dos animais, sendo necessários de 3 a 10 kg de grãos para obter 1 kg de

carne.

Como o valor nutricional dos grãos é variável, acrescentam-se às rações alguns complementos

nutritivos. Vários produtos industrializados fornecem um conteúdo de nutrientes equilibrado para as

necessidades dos animais, em função de sua espécie, sua idade etc.


166

DE LIEBIG À VACA LOUCA

Os suplementos nutritivos proteicos foram introduzidos a fins do século XIX. Em 1865, Liebig

inventou um procedimento industrial para transformar os restos dos animais em extrato de carne,

vendido como complemento para a alimentação humana, e farinha de carne, utilizada para fortificar

as rações animais. Bem antes da Segunda Guerra Mundial, as rações dos ruminantes dos países

desenvolvidos já incluíam de 2 a 5% de farinha de carne.

Finalizada a guerra e até 1973, a Europa importou grãos para as rações. Quando condições

climáticas adversas causaram uma grande quebra da safra de soja nos Estados Unidos, estes

embargaram o grão disponível, para garantir as necessidades internas. Sem grãos como fonte

proteica das rações, a única opção que restou aos europeus foi a farinha de carne. Na tentativa de

baratear ao máximo os custos das rações, deixou-se de extrair a gordura com solvente e

modificaram-se as condições de esterilização.

A inclusão de restos de animais doentes, inicialmente ovelhas com scrapie, uma doença

esporádica conhecida no Reino Unido desde 1732, pode ter contaminado as vacas e provocado o

surto da doença da vaca louca, uma variante da doença de Creutzfeldt-Jakob que afeta o homem,

causando-lhe danos neurológicos graves. Esta variante se manifesta mais rapidamente e ataca as

pessoas jovens.

Em 1988, a farinha de carne foi proibida na alimentação do gado bovino e ovino. A epidemia

exigiu o sacrifício de boa parte dos rebanhos no Reino Unido e de outros países da Europa, colocando

em discussão a composição das rações animais e mostrando a necessidade de aumentar a

quantidade e a qualidade dos suprimentos de grãos e de plantas forrageiras.

VARIAÇÕES SOBRE A COMPOSIÇÃO DAS RAÇÕES

Além da farinha de carne, outros produtos já foram utilizados como suplemento proteico, entre eles

o leite desnatado em pó e a farinha de pescado, que hoje está sendo abandonada devido ao

aumento do preço resultante da pesca excessiva.

A biomassa microbiana seca tem dado bons resultados como fonte alternativa de proteínas.

Denominada SCP (do inglês, single cell protein), a proteína unicelular pode ser obtida de diversas

fontes. As leveduras como Saccharomyces cerevisiae constituem um subproduto nas destilarias de

álcool; outras como Candida utilis ou Torula se multiplicam sobre os efluentes da indústria de papel

ou das queijarias. A bactéria Methylophilus methylotropus cresce sobre metanol obtido a partir do

gás do Mar do Norte, sendo a SCP correspondente comercializada, no Reino Unido, sob o nome de

Pruteen.

O acréscimo de enzimas (proteases, celulases, amilases etc.) tende a aumentar a digestibilidade

das rações. Uma dieta baseada em grãos tem como inconveniente a introdução de fósforo e outros

nutrientes complexados ao ácido fítico. No caso dos ruminantes, a flora microbiana do sistema

digestório consegue disponibilizar parte do fósforo, mas isso não ocorre nos animais monogástricos

como os suínos, as aves e, inclusive, o homem. Os fitatos impedem a assimilação do fósforo, mas a

adição da enzima fitase na ração melhora a assimilação dos nutrientes e diminui a quantidade de

fósforo excretado no ambiente, que é uma das causas da eutrofização dos cursos de água.

A adição de antibióticos visa proteger as rações da ação bacteriana. Já a adição de probióticos

procura modificar o ambiente gastrintestinal, estimulando a multiplicação de certos tipos

bacterianos em detrimento de outros.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo14: Biotecnologia e pecuária

167

A fitase é produzida por fermentação microbiana e sua adição nas rações é obrigatória na

Europa. Trata-se de um mercado mundial de aproximadamente US$ 500 milhões, 40% do qual sito na

China. A aprovação do milho com fitase (Academia de Ciências Agrícolas da China, Origin Agritech

Ltda.) representa um marco importantíssimo para a China.

AS RAÇÕES TRANSGÊNICAS

O escândalo da “vaca louca”, seguido pelo caso dos frangos contaminados com dioxina mostrou o

descaso existente pelos produtores europeus em relação às rações animais. Por isso, em 1998, não

foi surpresa o estardalhaço causado por A. Pusztai, um renomado cientista do Reino Unido, ao

declarar na televisão ter encontrado alterações do sistema imune em ratos alimentados com batatas

cruas, transgênicas para uma lectina inseticida natural de campânula. Uma auditoria realizada por

cientistas independentes considerou essas conclusões errôneas, o que foi confirmado mais tarde

pela Royal Society do Reino Unido.

As rações representam até 70% dos custos da criação de animais, sendo um dos gargalos da

produção agrícola. Toda tentativa de baratear as rações é assimilada rapidamente. Porém, devido

aos precedentes desastrosos e a desconfiança da população, a introdução de plantas geneticamente

modificadas foi analisada cuidadosamente em diversos tipos de animais, e não se evidenciaram sinais

de toxicidade da soja, da ervilha, do lupino, do algodão e da batata em ratos, nem da colza em

coelhos. As características das carcaças, dos tecidos e das carnes não mudaram em animais que

receberam alimentos transgênicos.

Numerosos estudos desenvolvidos em instituições de pesquisa e universidades mostraram que,

tanto em relação à composição química como à digestibilidade e ao valor nutritivo, as plantas

biotecnológicas disponíveis são substancialmente equivalentes às não transgênicas. Organizações

internacionais como FAO/WHO (Food and Agriculture Organization e World Health Organization)

consideram, desde 1991, que a ingestão de DNA é segura, independentemente de ser sua fonte

transgênica ou não. As organizações norte-americanas FDA (Food and Drug Agency), em 1992, e EPA

(Environmental Protection Agency), em 2000, manifestaram-se no mesmo sentido. A União Europeia

não considera necessário rotular os alimentos provenientes de animais alimentados com rações

geneticamente modificadas.

Segundo a FASS (Federation of Animal Science Societies), as rações são digeridas normalmente

pelos animais estudados, sem que sejam detectados ácidos nucleicos ou proteínas de origem

transgênica na carne, no leite ou nos ovos. Este era um resultado esperado, porque em função dos

conhecimentos sobre digestão e absorção, tanto as proteínas como o DNA são degradados durante o

processo digestivo.

Em alguns casos em que as plantas têm as propriedades agronômicas modificadas como, por

exemplo, o milho resistente a insetos (milho-bt), verifica-se uma redução substancial do teor em

micotoxinas. Isto porque, ao diminuir os ataques de insetos, há menos lesões que possibilitem a

infecção e o crescimento dos fungos. As micotoxinas são muito perigosas para os animais que

ingerem os grãos contaminados, porque causam hemorragias, danos no fígado e nos rins, diarreias e

câncer. O milho transgênico melhora a qualidade do alimento e a saúde animal, especialmente dos

monogástricos, mais sensíveis as micotoxinas que os ruminantes.

Estão sendo estudadas plantas com maior digestibilidade, como uma alfafa transgênica com

menos lignina. Por outro lado, o melhoramento das plantas forrageiras também abre perspectivas

interessantes. Observou-se, por exemplo, aumento de peso e bom crescimento da lã em ovelhas

alimentadas com lupino transformado geneticamente, de maneira a sintetizar uma proteína de

girassol com alto conteúdo de metionina.


168

O MELHORAMENTO GENÉTICO DO GADO

Existem hoje mais de 5.000 raças de gado, resultantes de muitos anos de adaptação a diferentes

condições ambientais. O melhoramento genético visa três objetivos fundamentais. O primeiro é

aumentar a eficiência da conversão do alimento, de maneira a incrementar a taxa de crescimento

corporal; o segundo é acrescer a produtividade (leite, ovos) e o último, mais recente, modificar a

composição da carcaça aumentando a quantidade de proteína (carne e leite) em detrimento da

gordura.

Os empreendimentos bem-sucedidos na área de melhoramento vegetal visam à seleção de

caracteres devidos a um único gene, porque, para as grandes empresas, isso significa a recuperação

rápida dos investimentos, através da venda anual de sementes. Em relação ao melhoramento animal,

precisa-se de muito mais tempo. Em bovinos, por exemplo, existe um período de quatro anos entre

uma geração e outra.

Muitas das características selecionadas em animais mostram uma variação contínua, que em vez

de responder a um gene único, resulta da contribuição de vários genes (herança poligênica ou

quantitativa). Se estiverem situados em cromossomos diferentes, a seleção acarretará

inevitavelmente a de genes vizinhos, que podem ser desfavoráveis.

Os frangos do tipo broiler, por exemplo, têm-se transformado em um alimento comum e barato,

em contraste com anos atrás. Selecionados por 50 gerações, esses frangos crescem quatro ou cinco

vezes mais rápido que seus antepassados. Mas, no caminho, apareceram alguns efeitos deletérios,

tais como o aumento do teor de gorduras, a fertilidade baixa e a presença de anormalidades

esqueléticas. Por outro lado, galinhas selecionadas como poedeiras desenvolveram osteoporose, ao

desviar o cálcio do esqueleto para a construção da casca dos ovos. E os perus desenvolveram um

tamanho tal que não conseguem acasalar sem riscos, sendo necessário proceder à inseminação

artificial. A seleção assistida por marcadores moleculares obteve um grande sucesso na área,

justamente por amenizar a dificuldade de se lidar com traços multigênicos.

Ciclos de vida mais longos tornam mais lenta a recuperação dos investimentos de modo que, a

exceção da produção de frangos, o setor resulta menos atrativo para as grandes empresas privadas.

A distribuição do material genético se encontra nas mãos dos pecuaristas e de pequenos

empreendimentos privados, responsáveis por mais de 80% da pesquisa e desenvolvimento na área

agropecuária dos países desenvolvidos.

O CONTROLE DA REPRODUÇÃO

O controle da reprodução dos animais permite a expansão rápida dos estoques, reduzindo os custos

de transporte de animais. O processo começa com a seleção dos pais (reprodutores e matrizes),

escolhidos pelas suas características genéticas relativas à produtividade e à saúde (Figura 15.1).

A inseminação artificial se pratica desde meados do século XX, no gado bovino, ovino, caprino,

porcino e em aves (perus, frangos). Devido ao custo, a técnica é mais utilizada com o gado de leite,

que tem um preço por cabeça mais alto que o gado de corte. Neste caso, complementa-se a

inseminação artificial com a sexagem prévia do sêmen, a fim de escolher os espermatozoides que

poderão dar origem a fêmeas.

O sêmen colhido de um reprodutor é introduzido no útero das matrizes. Considerando que uma

única ejaculação de um touro produz aproximadamente 100 doses de sêmen, que um animal chega a

produzir 4.000 doses por ano e que a eficiência da inseminação chega a 50%, o método permite

obter aproximadamente 2.000 crias por reprodutor ao ano.


169

Com o desenvolvimento das técnicas de criopreservação pode-se utilizar tanto o sêmen fresco

como o congelado, o que possibilita também a conservação da biodiversidade de raças em perigo de

extinção. Uma dose de sêmen custa a partir de 14 reais e, se for de qualidade comprovada, 20 reais.

O touro Bandido, que teve uma exitosa participação em uma novela de televisão e morreu

prematuramente, deixou sêmen congelado. Dele descendem os touros Zangão, Matador e

Carrancudo que participam em festas de rodeio por todo o Brasil.

Normalmente, uma vaca produz uma cria por ano. Tratada com hormônios para induzir uma

superovulação e inseminada artificialmente, essa vaca poderá gerar simultaneamente cinco

embriões, que serão colhidos mediante a lavagem do útero e transferidos a uma vaca receptora. A

criopreservação garante que 25 a 50% dos embriões congelados possam originar animais vivos.

Como o processo todo (superovulação + inseminação + transferência dos embriões) pode ser

repetido quatro vezes por ano, apesar das limitações técnicas existentes, uma vaca terá 10 crias por

ano.

Outra variante consiste em extrair os ovócitos das vacas superovuladas, ou dos ovários de

animais sacrificados, procedendo a uma fecundação artificial antes de reimplantar os embriões nas

vacas receptoras. O número de embriões também pode ser aumentado por bipartição, por

micromanipulação do blastócito com 64 a 128 células. A aplicação de testes genéticos nos pais e nos

embriões, antes de ser reimplantados, permite uma seleção apurada da descendência.

FIGURA 15.1. O Controle da reprodução em bovinos.

O controle da reprodução dos animais domésticos depende de diversas técnicas (superovulação, inseminação artificial, coleta de ovócitos ou de embriões, criopreservação, transplante de embriões).


170

AS NOVAS TECNOLOGIAS

O mapeamento do genoma dos animais domésticos

O estudo do genoma dos animais domésticos fornece informações precisas e eficientes para a

seleção de alguns caracteres. O objetivo básico é estabelecer uma correlação entre os genes e as

sequências não funcionais que, distribuídas ao longo do genoma, irão cumprir o rol de marcadores

moleculares.

Centenas destas sequências já foram identificadas na vaca, no porco, no frango, na cabra, na

ovelha, no salmão, no camarão etc. Trata-se de micro e minissatélites, isto é, sequências curtas de

DNA repetidas um número variável de vezes que são transmitidas de uma geração a outra e podem

ser identificadas por eletroforese.

Quando o gene responsável por uma característica de interesse está associado a um

determinado marcador, ambos serão selecionados juntos. Com caracteres monogênicos, os

resultados se obtêm rapidamente, mas com caracteres poligênicos devem-se procurar os genes que

contribuem substancialmente na variação. A análise de marcadores também é utilizada na

determinação do parentesco (pedigree) e na identificação dos animais, tanto no campo como nos

produtos derivados.

Já foram sequenciados alguns genomas de animais domésticos. À medida que outros sejam

completados e se conheçam melhor as sequências expressas nas moléculas de mRNA, as técnicas

eletroforéticas poderão ser substituídas por chips de DNA (microarrays).

A clonagem

A clonagem de animais domésticos por partição embrionária é utilizada desde a década de 1980. Na

década seguinte, outras perspectivas se abriram com a técnica de transferência nuclear, que consiste

em transferir o núcleo de uma célula doadora a um ovócito receptor, previamente anucleado, de

outro animal. Dolly (1977-2003) foi o primeiro animal obtido mediante esta técnica, depois de 277

tentativas fracassadas (Figura 9.9).

Fenômeno mediático, Dolly teve um tumor no pulmão, sendo sacrificada depois de desenvolver

artrite em uma pata e de mostrar sinais de envelhecimento precoce. Nascidas pouco tempo depois,

Polly e suas irmãs levam o gene codificador do fator IX, uma proteína fundamental para a coagulação

sanguínea.

As dificuldades técnicas estão, principalmente, na estimulação do citoplasma receptor e na

coordenação entre a atividade citoplasmática e nuclear. Quando a reprogramação celular é

incompleta, observam-se fenômenos epigenéticos que abrangem o DNA, a cromatina e a inativação

do cromossomo X. Por outro lado, os problemas de saúde são mais frequentes em clones porque a

gestação é mais demorada e o tamanho do recém-nascido é maior. As taxas de mortandade perinatal

aumentam assim como o número de malformações congênitas.

Por enquanto, a clonagem não é usada no melhoramento direto dos rebanhos, sendo aplicada

aos animais fundadores, principalmente bovinos e suínos, porque são os únicos em que os benefícios

justificam o custo do procedimento.

Alguns exemplos são ilustrativos: Bull 86 Squared, um clone de um animal resistente à

brucelose, salmonelose e tuberculose; Annabell Zeta, uma vaca da raça Holstein recordista da

produção de manteiga, clonada com sucesso por apresentar problemas de fertilidade; Second

Chance, nascido depois de 189 tentativas de clonagem de Chance, um touro que participou em

rodeios e filmes.


171

A tecnologia está sendo desenvolvida também na Argentina e no Brasil. Ciruelito é um clone de

Ciruelo, grande campeão da raça Brangus. Lenda e Glória da Embrapa descendem de Vitória, uma

vaca da raça Simental, nascida por transferência nuclear; Porã e Potira descendem, via bipartição

embrionária, de uma vaca da raça bovina Junqueira, em alto risco de extinção; também zebuínos

foram clonados. Em ambos os países existem empresas privadas especializadas na clonagem

comercial de bovinos (BioSidus, ARG Natural Beef; Vitrogen, Geneal) em empreendimentos ligados a

universidades ou institutos de pesquisa agronômica.

De um modo geral, a clonagem é utilizada para animais de elite, doentes ou acidentados,

estimando-se em redor de US$ 20.000 o preço de um bezerro clonado, nos Estados Unidos. Ainda

pode demorar vários anos até que o preço se torne interessante para o melhoramento direto na

pecuária.

Diferente dos bovinos, os equinos nasceriam mais saudáveis. Em 2003, a mula Joy of Idaho foi o

primeiro clone de um híbrido de uma égua e um jumento. No mesmo ano e depois de 847 tentativas,

nasceu na Itália a égua Prometea, gerada a partir de uma célula somática materna, o que a torna ao

mesmo tempo filha e irmã gêmea de sua mãe. Em 2005 obtiveram-se os primeiros clones de um

cavalo de corrida (Pieraz Cryozootech), e de um cavalo de salto (Paris-Texas). Recentemente, nasceu

na Argentina BS Ñandubay, clone de Ñandubay, um cavalo crioulo (Halitus, BioSidus). No Brasil, as

potras Branca e Neve foram obtidas por bipartição embrionária. Observe-se que a inseminação

artificial e os tratamentos de fertilidade estão proibidos em cavalos de corrida, puros-sangues.

Contudo, as possibilidades da clonagem vão além do aumento da taxa de fertilidade de animais

elite e da conservação de animais com características interessantes. A clonagem pode ser utilizada

para a conservação de espécies raras e em risco de extinção, para a criação de rebanhos

homogêneos que facilitem trabalhos de pesquisa e para a propagação rápida de alguns organismos

transgênicos. Esta última aplicação justifica a importância dada a Dolly.

A transgênese

O primeiro camundongo transgênico nasceu em 1981. A partir de 1988 começaram a ser produzidos

vacas, cabras, coelhos, ovelhas, frangos, porcos e peixes transgênicos. Poucos meses depois do

nascimento de Dolly, o mesmo grupo do Instituto Roslin e PPL Therapeutics anunciou o nascimento

de Polly, uma ovelha transgênica para o gene codificador do fator IX, uma proteína fundamental para

a coagulação sanguínea e que falta nos hemofílicos. Observe-se que, dado o custo de um animal

transgênico, é mais econômico fazer um clone que construir outro.

Uma das preocupações existentes se relaciona com o risco de escapamento de um animal

transgênico e a possibilidade de difundir o transgene nas populações naturais. O risco depende de

algumas características do animal, especialmente a mobilidade, a capacidade de escapar do cativeiro

e a de voltar ao estado selvagem (Tabela 14.1).

Outros fatores adicionais que devem ser considerados em uma simulação de risco são a

viabilidade juvenil, a idade de amadurecimento sexual, a fertilidade do macho, a fecundidade da

fêmea, a viabilidade do adulto etc.

A comercialização de animais transgênicos ou seus produtos avança muito lentamente, não só

pelos altos custos como pelo tempo demandado para responder ao processo regulatório e a

resistência eventual dos consumidores.


172

TABELA 14.1. O risco de escapamento de um animal transgênico.

ESPÉCIE MOBILIDADE CAPACIDADE DE VOLTAR

AO ESTADO SELVAGEM

CAPACIDADE DE ESCAPAR

DO CONFINAMENTO

Camundongos Alta Alta Alta

Peixes Alta Alta Alta

Insetos Alta Alta Alta

Porcos Baixa Alta Moderada

Aves Baixa Baixa Baixa

Vacas Baixa Baixa Baixa

O MELHORAMENTO DA PRODUÇÃO

CARNE, LEITE, OVOS E LÃ

A produção de alimentos é um dos objetivos fundamentais da atividade agropecuária. A utilização de

modificadores metabólicos permite não só incrementar a produção como modificar a relação entre

carne e gordura, de maneira a diminuir o desperdício.

Entre os modificadores metabólicos mais utilizados estão os hormônios bST (somatropina

bovina) e pST (somatropina porcina), produzidos a partir de microrganismos transformados por

engenharia genética. Os hormônios estimulam o crescimento em bezerros e porcos e a produção de

leite em vacas. Sua utilização gerou polêmicas, sendo proibidos em alguns países da Europa, mas

permitidos em 19 países, entre os quais a Argentina, o México e o Brasil.

Experiências de transgênese visam melhorar a qualidade do leite de vaca modificando as

proteínas (leite humanizado para lactantes) ou reduzindo a lactose (para as pessoas com

intolerância). Na Nova Zelândia e nos Estados Unidos vêm sendo obtidas vacas que produzem mais

caseína no leite, uma propriedade interessante para a indústria de queijos.

A inserção de um gene bacteriano codificador de fitase deu a origem ao EnviropigTM, um porco

que produz a enzima na saliva, de maneira que a concentração de fósforo no esterco é 60% menor

que no dos porcos convencionais. Ainda sem a aprovação das autoridades pertinentes, o EnviropigTM

está sendo criado em confinamento, no Canadá.

Algumas tentativas foram feitas em relação à produção de fibras animais: ovelhas transgênicas

que não precisassem de determinados suplementos de aminoácidos na dieta; modificação da

estrutura das fibras de lã e de caxemira para facilitar o tingimento e diminuir o encolhimento;

alteração das propriedades da seda. A partir de uma proteína de aranha, sintetizada por uma cabra

transgênica, se desenvolveu e patenteou o BiosteelTM, um produto muito resistente que pode ter

diversos usos, inclusive militares.

Na década de 1980, a transferência de um gene codificador de hormônio de crescimento

humano originou ratos duas vezes maiores. Quando repetida a experiência com porcos, obteve-se o

Beltsville pig, um animal que apresentou problemas variados: dificuldades respiratórias, artrite,

letargia etc. O fracasso suscitou vários questionamentos éticos em relação ao tratamento infringido

aos animais. De um modo geral, a transgênese do hormônio de crescimento (GH, do inglês growth

hormone e GHFR, do inglês growth hormone factor releasing) nos animais domésticos tem sido

problemática, salvo em peixes.


173

A AQUICULTURA

Os principais países produtores de peixes, mariscos e crustáceos por aquicultura são a Noruega, o

Chile, o Canadá, os Estados Unidos, o Reino Unido, a Nova Zelândia e os países asiáticos.

O desenvolvimento da aquicultura parece uma alternativa razoável para a produção de

alimentos porque, em função da pesca desmedida, os estoques de peixes nos mares e oceanos têm

diminuído assustadoramente. No entanto, do ponto de vista ecológico, ainda subsistem dúvidas em

relação à aquicultura. Alguns peixes não exigem nenhuma complementação da ração, como as

carpas e tilápias. Já o camarão e o salmão são criados com rações que incluem farinha de peixe.

Quais seriam as vantagens da aquicultura se for necessário extrair peixe para a preparação das

rações?

A criação de peixes e mariscos é uma atividade empresarial que cria empregos, demanda poucos

insumos e gera um produto de alto valor agregado. Contudo, alguns problemas subsistem, como a

distância dos mercados de destino e a contaminação das águas costeiras, que dificulta a criação de

mariscos filtradores de plâncton, favorecendo o florescimento das algas. O gerenciamento destas

variáveis nas fazendas de salmão dá um retorno econômico importante para a Noruega, o Chile o

Canadá e os Estados Unidos.

No entanto, como as águas e os invernos canadenses são muito mais frios que os chilenos, onde

o salmão pode ser criado o ano inteiro, os produtores canadenses e norte-americanos se

interessaram por um salmão resistente ao frio e de crescimento rápido.

Dentro deste contexto, a empresa AquaBounty transferiu para o salmão do Atlântico um cassete

de expressão, denominado AquAdvantageTM, com dois genes codificadores de uma proteína

anticongelamento e um hormônio de crescimento do salmão do Pacífico. O peixe cresce

rapidamente em condições comerciais, consumindo 250% mais comida e alcançando o tamanho

equivalente ao de um salmão convencional em menos tempo (18 meses em vez de 24 ou 30).

Para alguns especialistas, existiriam alguns riscos como a invasão e substituição dos salmões

naturais pelos transgênicos ou a introdução de genes de valor adaptativo inicialmente maior que os

das populações selvagens, mas cujo valor diminuiria a médio prazo, levando a espécie à extinção

(genes troianos). A empresa AquaBounty considera esses riscos sob controle, em função da condição

triploide dos salmões GM AquAdvantage que garante a esterilidade de 98,9% dos peixes e das

condições ambientais desfavoráveis em Prince Edwards Island (Canadá), onde serão produzidos os

ovos.

Segundo o Protocolo de Cartagena, os peixes transgênicos devem ser criados exclusivamente

em contenção. Por isso, a exploração comercial de salmões transgênicos não poderá ser feita como

até agora, em jaulas marinhas; eles terão que crescer confinados em fazendas dentro do território,

de maneira a diminuir os riscos de escapamento. AquaBounty planeja desenvolver o processo no

Panamá, em regiões de altitude com a temperatura adequada e rios desfavoráveis para a

sobrevivência do salmão. Aguarda-se para 2011 a aprovação do FDA (Food and Drug Administration)

para sua liberação comercial.

Estima-se que atualmente existam umas 30 variedades de peixes transgênicos em laboratórios

de diferentes lugares. Tilápias e carpas transgênicas se encontram em vias de aprovação em Cuba e

na China, respectivamente. Também estão sendo desenvolvidos camarões e mariscos desprovidos da

proteína responsável por 80% das alergias e uma truta com mais ácidos graxos Ômega 3.


174

A SAÚDE DOS ANIMAIS

RESISTÊNCIA A DOENÇAS

A seleção genética de animais resistentes é uma forma de reduzir o prejuízo devido às doenças,

estimado em 10 a 20% da produção. No Reino Unido, a resistência ao scrapie, por exemplo, se

tornou uma condição indispensável para a entrada de qualquer ovino em um programa de

melhoramento. Outras possibilidades são bovinos resistentes à vaca louca, à mastite e à brucelose.

O mapeamento do genoma dos animais domésticos facilita a tarefa de selecionar animais

resistentes a doenças, tais como frangos resistentes à doença de Marek e à salmonelose. Na França,

a transgênese está sendo utilizada para a obtenção de trutas resistentes ao SHV (vírus da septicemia

hemorrágica), responsável pela perda de um quarto da produção. Em outros países, pesquisa-se a

introdução de genes que confiram resistência a doenças que afetam o gado, como a tripanossomíase

ou a aftosa.

PREVENÇÃO E TRATAMENTO

Os principais produtos desenvolvidos para a saúde animal são vacinas, kits de diagnóstico,

tratamentos (antibióticos, antiparasitários) e suplementos (hormônios). Estes produtos são

necessários porque as práticas intensivas ou semi-intensivas favorecem a transmissão de doenças

entre os animais.

Existem numerosas vacinas contra as doenças que afetam os animais; muitas pesquisas se

direcionam atualmente para a elaboração de vacinas de subunidades de antígeno em plantas

modificadas geneticamente, que possam ser administradas na ração. Também está sendo

desenvolvida uma vacina para imunizar os animais contra um hormônio reprodutivo (GnRH ou

gonadotrophin-release hormone), sendo esta uma alternativa para a castração de touros e porcos.

Alguns animais domésticos constituem um reservatório de doenças e as transmitem ao homem.

Preservar a saúde dos animais diminui o risco de contágio, deste modo, uma vacina contra a

leishmaniose canina desenvolvida recentemente no Brasil, visa a cortar a corrente de transmissão da

doença do cachorro ao homem.

As análises de DNA possibilitam a tipificação dos agentes patogênicos e os estudos

epidemiológicos. Os ensaios imunoenzimáticos são utilizados para o diagnóstico de várias patologias

e também para o reconhecimento de diversos tipos de contaminação nos produtos (Salmonella,

Escherichia coli, Listeria).

A produção de medicamentos visa umas 200 doenças animais diferentes. As indústrias de saúde

investem aproximadamente US$ 400 milhões por ano em pesquisa e desenvolvimento, mas, de um

modo geral, a saúde animal movimenta muito menos dinheiro que a saúde humana. Salvo em

relação aos animais de estimação, o mercado de saúde animal cresce lentamente.

Na América Latina, numerosas empresas do setor privado elaboram medicamentos, vacinas e

testes diagnósticos dirigidos à saúde animal. Entre as principais: Biogénesis e Bagó (Argentina), Vallée

(Brasil), BiosChile (Chile), Laverlam (Colômbia), IASA (México), Laboratórios Santa Elena (Uruguai).

Cuba se destaca pela vacina contra o carrapato, que é vendida em vários países da América Latina.

Em relação à febre aftosa, uma endemia que afeta a produção de carne e de leite, novas vacinas

mais eficientes e fáceis de aplicar são indispensáveis nas regiões em que a doença não foi totalmente

erradicada e em que aparecem surtos eventuais: Argentina, Brasil, Colômbia, México, Paraguai e

Uruguai.


175

Do ponto de vista comercial, as vacinas DIVA (do inglês, differentiating infected from vaccinated

animals) são especialmente interessantes porque permitem distinguir animais infectados de animais

vacinados. Estuda-se também a substituição da vacina atual de vírus inativado por alfafa transgênica

que expresse algumas proteínas do vírus da aftosa (plant-pharming).

Tecnologias avançadas são habitualmente aplicadas na produção de vacinas veterinárias. Até o

início de 2011, 12 vacinas geneticamente modificadas foram liberadas no Brasil pela CTNBio

(Comissão Técnica Nacional de Biossegurança).

A aquicultura abre um espaço para as empresas que desenvolvem testes de diagnóstico e

vacinas para os patógenos que afetam as fazendas, como a argentina Tecnovax S.A. e as chilenas

Recalcine e AquaGestión, que desenvolveram uma vacina contra o vírus da anemia infecciosa do

salmão.

NOVAS UTILIZAÇÕES DOS ANIMAIS DOMÉSTICOS

MODELOS DE ESTUDO PARA DOENÇAS HUMANAS

A transgênese é utilizada em vários animais (ratos, camundongos, coelhos e macacos), para transferir

características que permitem sua utilização como modelo de doenças humanas.

O primeiro modelo foi obtido em 1988, ao se transplantar tecidos do sistema imune extraídos

de um feto humano a camundongos geneticamente imunodeficientes; os animais adquiriram um

sistema imune humano.

No mesmo ano, obtivera-se o oncomouse, um camundongo com um gene para câncer de mama

que permite testar tanto o efeito carcinogênico de algumas substâncias como a ação terapêutica de

outras. Com este camundongo, a Universidade de Harvard recebeu a primeira patente para um

animal transgênico.

A partir desse momento vários animais foram redesenhados para servir como modelo; coelhos

com diferentes genes para lipoproteínas humanas constituem linhagens sensíveis ou resistentes a

regimes ricos em colesterol; camundongos modificados geneticamente possibilitam os estudos sobre

epilepsia, obesidade; mapeamento genético de doenças neuropsiquiátricas em cachorros etc.

XENOTRANSPLANTES

Os porcos são considerados o fornecedor ideal de órgãos para transplante porque o tamanho e a

função destes são equivalentes aos dos humanos. Válvulas de porco substituem as válvulas cardíacas

humanas, depois de eliminar todas as células de porco. A eliminação por knock out do gene da α 1,3-

galactosiltransferase (α1,3 GalT) na superfície celular permitiria evitar a rejeição de um órgão

transplantado. Contudo, restaria um dos maiores riscos dos xenotransplantes, que é a transmissão

de vírus de uma espécie a outra.

OS ANIMAIS COMO BIORREATORES

As proteínas terapêuticas incluem hormônios, anticorpos, fatores de crescimento e fatores de

coagulação. Os genes codificadores de várias delas têm sido transferidos a microrganismos. Porém,

devido à necessidade de modificações pós-traducionais, algumas proteínas só podem ser sintetizadas

em células animais, cultivadas em biorreatores. Contudo, a quantidade de proteína produzida é

muito pequena e os custos operacionais muito altos.


176

Uma alternativa é a transformação genética de um animal para convertê-lo em um biorreator

que expresse a proteína de interesse no leite, no sangue, na urina ou nos ovos. De fato, precisa-se de

2 a 3 vezes menos capital inicial, e o custo da proteína recombinante cai entre cinco e dez vezes.

Obviamente, a eleição de uma ou outra tecnologia dependerá da demanda do mercado e da

dosagem requerida. A aprovação de um produto demanda os testes clínicos correspondentes, e

normas regulatórias são estritas e demoradas.

A liberação de ATryn, uma antitrombina com propriedades anti-inflamatórias e anticoagulantes,

na Europa (2006) e nos Estados Unidos (2009) modificará rapidamente o amplo mercado de fatores

de coagulação recombinantes. A empresa responsável, GTC Biotherapeutics, produz mais de 60

proteínas terapêuticas diferentes no leite de cabras e vacas.

Muitos produtos estão sendo desenvolvidos atualmente, no leite (vacas, cabras, ovelhas,

porcos) e nos ovos (aves). Em relação ao fator IX humano, por exemplo, porcos transgênicos

excretam a proteína no leite em quantidade 250 a 1.000 vezes maior do que se consegue em

biorreatores microbianos. Bastam algumas centenas de animais para suprir as necessidades de toda

a população.

Vários produtos se encontram em fase de testes clínicos. Na Escócia, PPL Therapeutics Ltd. cria

200 ovelhas produtoras de AAT (-1-antitripsina), uma substância que se encontra em testes clínicos

para o tratamento de enfisema hereditário e fibrose cística. Nos Paises Baixos, Pharming BV obteve

vacas produtoras de lactoferrina humana, uma proteína com propriedades antimicrobianas.

Na Argentina, BioSidus mantém um tambo farmacéutico com duas dinastias de vacas: Pampa,

produtora de hormônio de crescimento, e Patagonia, produtora de insulina. No Brasil, a Universidade

do Ceará mantém um rebanho de cabras transgênicas de raça Canindé que secreta no leite o fator de

estimulação de colônias de granulócitos humanos (hG-CSF).

Hematech Inc. mantém um rebanho em que os genes bovinos foram removidos (knock out) e

substituídos (knock in) por genes humanos. Uma vez imunizados, os animais produzem anticorpos

policlonais humanos que podem ser utilizados para combater infecções, assistir a pessoas com o

sistema imune comprometido ou tratar doenças autoimunes (artrite reumatoide). Anticorpos

humanos (Origen Therapeutics) e interferon (AviGenics) também são produzidos em ovos de aves

transgênicas.

Algumas experiências adicionais interessantes que se encontram em andamento são a produção

de anticorpos monoclonais para a artrite reumatoide no leite de ruminantes, ou a síntese de um

antibiótico de amplo espectro por vacas leiteiras, a fim de diminuir a incidência de mastite por

Staphylococus aureus.

Outros produtos estão sendo preparados para fazer frente a um eventual surto de bioterrorismo

como, por exemplo, anticorpos humanos contra antraz, varíola e botulismo em vacas transgênicas

(TransOva), ou antídotos contra as armas químicas como o gás Sarin em cabras (Nexia).

Todas estas aplicações exigem o respeito de normas de segurança estritas. Parece fundamental

extremar os cuidados com a eliminação das carcaças e evitar o escapamento de animais transgênicos

para produtos medicinais, assim como a entrada acidental de seus produtos na cadeia dos alimentos.

O MARCO CONCEITUAL DOS TRÊS Rs

O uso de animais em experimentos tem suscitado numerosos debates, em função do sofrimento que

se lhes infringe e da dificuldade em se transpor ao ser humano a informação obtida nessas pesquisas.

Estima-se em 115 milhões o número de animais utilizados por ano em pesquisas científicas entre

roedores (83,5%), primatas (0,15%), gatos (0,06%) e cães (0,24%).


177

Em 1959, Russell e Burch estabeleceram um marco conceitual conhecido hoje como “os três Rs”

(do inglês, replacement, reduction and refinement). No momento atual, a ciência não tem como

prescindir dos testes em animais em algum momento do desenvolvimento de novos medicamentos e

de outras pesquisas. Contudo, os Rs deram início a uma reflexão ética em relação aos animais

(Tabela 14.2).

Admite-se hoje que nem tudo o que é tecnicamente possível deve ser permitido, cabendo aos

Comitês de Ética das instituições de pesquisa discutir este aspecto em relação aos projetos que

envolvem seres vivos, a fim de evitar o conflito entre o bem dos seres humanos e o dos animais.

Nem sempre os maus-tratos decorrem dos procedimentos experimentais, também podem ser

genéticos. Um exemplo significativo é o da raça bovina Belgian Blue, que apresenta um crescimento

muscular extraordinário devido a uma mutação no gene codificador da miosina.

A carne é macia e com muito pouca gordura. Devido à largura reduzida do canal pélvico e ao

grande tamanho dos bezerros, o nascimento só é possível por cesárea. Alguns países, como a

Dinamarca, pedem a extinção desta raça.

Em relação aos transgênicos, a principal crítica se refere à ineficiência dos métodos de

microinjeção. Como só 3% a 5% dos animais carregam o transgene, o número de animais descartado

é muito alto.

TABELA 14.2. Significado e alcance dos três Rs.

R SIGNIFICADO EXEMPLOS

1 Substituir Substituição de animais vertebrados conscientes por seres inscientes, ou por métodos in vitro.

2 Reduzir Redução do número de animais necessário para a pesquisa mediante desenhos experimentais mais apurados estatisticamente.

3 Refinar Minimizar ao máximo o desconforto ou o sofrimento dos animais.

OS ANIMAIS DE ESTIMAÇÃO

O bem-estar dos animais domésticos é uma responsabilidade do homem, que deve lhes dar

qualidade de vida e minimizar o sofrimento e a dor. Entre estes, os bichinhos de estimação

constituem um grupo a parte. Submetidos a processos seletivos diversos, eles experimentam

algumas consequências negativas como a surdez, que atinge quase 10% dos dálmatas. Os cachorros,

aliás, carregam 300 condições genéticas recessivas das quais 250 foram descritas também no

homem.

Em 2010, estimam-se em US$ 11 bilhões os gastos em produtos de saúde para os pets norte-

americanos. Trata-se de vacinas (raiva, hepatite, leucemia felina etc.) e medicamentos (artrite,

parasitas, alergias, problemas dentários, doenças cardíacas, falência renal, ansiedade de separação,

síndrome de disfunção cognitiva etc.).

O mercado também é propício para a clonagem dos animais de estimação. Algumas empresas já

estão envolvidas com a tecnologia, que até agora parece ser mais fácil em relação aos gatos que aos

cachorros.

O desenvolvimento de Night pearls, um peixe transgênico que brilha no escuro, custou US$ 2,9

milhões. Inicialmente desenhado para monitorar a qualidade da água, este peixe se transformou em

mascote. Existem variedades com fluorescência verde, vermelha e com uma combinação das duas

cores, a um preço de US$ 17,40, no lançamento em Taiwan (2003).


178

15. BIOTECNOLOGIA E ALIMENTOS



OS ALIMENTOS FERMENTADOS

A descoberta dos processos fermentativos é um acontecimento que ocorreu várias vezes em

momentos diferentes da história da humanidade. A fermentação trazia duas vantagens

fundamentais; uma era a eliminação das substâncias tóxicas de alguns grãos, e a outra, a preservação

dos alimentos.

A aquisição de conhecimentos sobre os microrganismos e as enzimas possibilita, a partir da

segunda metade do século XIX, o desenvolvimento da indústria de alimentos. Esta soube se apropriar

de todas as ciências relacionadas (microbiologia, bioquímica, engenharia química, automação etc.).

Os alimentos fermentados constituem hoje a terceira parte da dieta humana. Seja por facilitar a

assimilação dos nutrientes, seja por apresentar menos substâncias tóxicas, esses alimentos entram

na categoria dos denominados alimentos funcionais, isto é, alimentos que proveem benefícios extras

além dos que seriam esperados em função dos componentes.

Afora os produtos de panificação, as bebidas alcoólicas e os laticínios, existem muitos outros

tipos de alimentos fermentados. Alguns são de origem animal (pescado, embutidos e presuntos),

mas a maioria é de origem vegetal, tanto no Ocidente (chucrute, picles, azeitonas, café, cacau, chã)

como no Oriente (shoyu, misó, tempeh, kimchi etc.) e na África (gari, kokonte ou lafun, agbelima,

togwa, kenkey etc.).

O PÃO

A arte da panificação surgiu em diferentes lugares, entre 7000 e 5000 a.C. Os primeiros pães eram

umas bolachas planas de cereais moídos e água, cozidas sobre pedras quentes. Mais tarde, deve ter

sido observado que, deixando a massa em repouso por um tempo, melhorava-se a textura e a

digestibilidade dos pães. O passo seguinte ocorreu, provavelmente, ao acrescentar uma pequena

parte da massa crua (“massa ácida” ou “pé de massa”) da preparação anterior. Este procedimento já

era conhecido por egípcios e hebreus, 5 mil anos atrás.

Os estudos microbiológicos atuais indicam a coexistência, no “pé de massa”, de bactérias

lácticas e leveduras. As enzimas presentes no grão catalisam a transformação do amido em açúcares

que são transformados em ácido láctico, pelas bactérias, e em etanol pelas leveduras. Devido à

liberação de CO2 formam-se bolhas que conferem porosidade e leveza à massa. Além de acelerar o

levado, a preparação de um “pé de massa” permite a seleção e o enriquecimento dos

microrganismos dos cereais.

Durante muitos séculos a preparação do pão envolvia, necessariamente, o processo natural de

fermentação, de modo que cada padeiro tinha que preparar seu “pé de massa”. A passagem do

procedimento artesanal à panificação industrial ocorreu em 1876, nos Estados Unidos, com a

produção e venda de cubos de levedura prensada, mediante um processo patenteado pelos

imigrantes austro-húngaros Charles e Max Fleischmann.

Atualmente, comercializam-se três tipos de fermento biológico (leveduras) para a panificação: o

fermento prensado ativo, com 68-72% de umidade, que requer refrigeração durante o

armazenamento e dura entre três e cinco semanas.

O fermento seco não ativo que se conserva mais tempo e não exige refrigeração, mas deve ser

hidratado antes de usar; e o fermento ativo instantâneo que, por não requerer hidratação, pode ser

adicionado diretamente aos ingredientes secos.


180

Neste campo, as inovações não são bem aceitas. Na década de 1990, comercializaram-se no

Reino Unido linhagens obtidas por engenharia genética. Apesar de ser muito rápida, o seu uso foi

logo descontinuado, principalmente devido à pouca aceitação dos consumidores.

Apesar de alguns padeiros conservarem a prática da fermentação natural, os processos

artesanais estão desaparecendo, substituídos pela tecnologia da panificação industrial. Prepara-se a

massa misturando farinhas de um ou mais tipos, água, leveduras e diversos aditivos: emulsificadores,

agentes oxidantes e redutores, enzimas ( e -amilases, hemicelulases, lipases etc.) e aceleradores

da fermentação.

O processo envolve três etapas de fermentação durante as quais o CO2 liberado forma bolhas

que, retidas na massa, aumentam seu volume. Entre uma e outra etapa, a massa é dividida e

boleada, facilitando a redistribuição dos ingredientes e o desenvolvimento das características

organolépticas. A moldagem visa o alinhamento das fibras proteicas do glúten. Durante a cocção, a

mistura etanol-água se transforma em vapor e a crosta adquire uma cor dourada. A seguir, os pães

são cortados e embalados (Figura 15.1).

FIGURA 15.1. A panificação.

A massa também pode levar outros ingredientes, tais como gordura, açúcar, leite em pó, ovos, mel, xaropes, frutas,

especiarias etc.

Farinhas Água Leveduras Enzimas Outros Aditivos

Mistura dos ingredientes

Divisão da massa

Boleamento

Moldagem

Cozimento

Resfriamento

Corte em fatias Embalagem Distribuição

Fermentação principal

Fermentação final

Fermentação secundária

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 15: Biotecnologia e alimentos

181

O VINHO

A vinificação

O vinho é uma bebida proveniente da fermentação alcoólica da uva, originada no norte da África e

na Europa por volta de 3000 a.C. Durante o amadurecimento da uva, várias espécies microbianas se

sucedem, primeiro transformando os açúcares em etanol e, posteriormente, o etanol em ácido

acético. Considerando que o destino natural da uva é o vinagre, a arte da vinificação representa um

ganho tecnológico considerável.

A uva é composta por água (86%), açúcares fermentescíveis (12%) e moléculas diversas (2%).

Retira-se o sumo espremendo ou prensando a polpa, sendo frequente o agregado de enzimas de

maceração (pectinases, celulases e hemicelulases) para melhorar o rendimento.

O agente biológico da fermentação alcoólica é a levedura Saccharomyces cerevisiae, que se

encontra na pele da uva. Salvo na produção artesanal, a fermentação não depende das leveduras

naturais da uva. A indústria vitivinícola conta com um leque amplo de linhagens selecionadas para

favorecer o processo fermentativo.

Na vinificação, monitora-se cuidadosamente a fermentação alcoólica até a conclusão do

processo. Procede-se então a duas trafegas, entre as quais ocorre uma segunda fermentação,

denominada fermentação malolática. Esta etapa, que é uma das mais complexas na elaboração dos

tintos, se deve à ação de bactérias lácticas, como Oenococcus oeni, que transformam o ácido málico

(diácido) em ácido láctico (monoácido). Em consequência da fermentação malolática, a acidez do

vinho diminui e aparecem as primeiras modificações aromáticas. Posteriormente, o vinho é

clarificado e colocado para envelhecer em tonéis ou garrafas, até o total desenvolvimento do buquê.

A obtenção de um vinho tinto ou branco depende basicamente do tipo de uva e do

procedimento seguido (Figura 15.2). Se quisermos obter vinho branco, utilizaremos uvas brancas ou

tintas sem a pele ou casca que as recobre. As uvas tintas com pele originam vinhos tintos, porque

esta libera compostos fenólicos (antocianinas, flavonas, taninos).

O cultivo da videira

Existem diferentes espécies de videiras. A Vitis vinifera fornece os vinhos mais finos, enquanto a Vitis

labrusca, a Vitis ripari e outras variedades mais rústicas da própria Vitis vinifera são utilizadas para a

elaboração de vinhos comuns. Existe uma combinação de solo e clima ideal para cada cultivo,

denominada terroir, sem a qual dificilmente se obterão os melhores resultados.

Alguns vinhos resultam da mistura de uvas diferentes, sendo denominados vinhos genéricos ou

de corte. Outros são elaborados a partir de uma única variedade, sendo denominados varietais. Esta

categoria inclui nomes como Pinot Noir, Chardonnay e Pinot Blanc (vinhos de Borgonha), Cabernet-

Sauvignon (vinhos de Bordeaux), Sangiovese (vinhos de Chianti) e Zinfendel (vinhos da Califórnia).

Observe-se que, dependendo do processo utilizado para a elaboração do vinho, a partir de uma

variedade de uva como a Pinot Noir poderão ser obtidos vinhos tão diferentes como um Borgonha

ou um Champanhe.

Em 2007, um grupo franco-italiano completou o mapa do genoma da Vitis vinifera, variedade

Pinot Noir. A informação abrange mais de 30.000 genes, muitos dos quais respondem pelos aromas e

sabores dos vinhos e outros regulam a quantidade de resveratrol, uma molécula que diminui os

níveis de colesterol.

Os estudos genômicos abrem numerosas perspectivas para os viticultores. Uma aplicação

importante é o monitoramento da maduração da fruta, mediante arrays de marcadores moleculares,

possibilitando a escolha do momento adequado para a vindima.


182

FIGURA 15.2. A vinificação

Uva tinta Uva branca

Desengaçamento e esmagamento Desengaçamento e esmagamento

Maceração

Inoculação

Inoculação

Clarificação

Clarificação

Envelhecimento

Engarrafamento

Vinho tinto

Engarrafamento

Vinho branco

Vinificação em tinto O mosto obtido por esmagamento da uva tinta passa para a cuba de fermentação, uma vez corrigidas a acidez e a quantidade de açúcar. Depois da primeira fermentação (fermentação alcoólica), separa-se, por trasfega, o mosto da borra. Inicia-se a segunda fermentação

(fermentação malolática). Depois de clarificado, o vinho deve aguardar dois anos até estabilizar e ser engarrafado. Os vinhos rosados ou rosés são obtidos seguindo um procedimento semelhante, mas deixando macerar durante menos

tempo o mosto com as cascas de uva. Também é possível consegui-los misturando vinhos brancos e tintos.

Vinificação em branco O mosto é obtido por esmagamento de uva branca ou de uva tinta sem casca, sem permitir a maceração. Salvo em alguns vinhos brancos de Borgonha, evita-se a fermentação malolática. Os vinhos espumantes (Champagne, Cava, Prosecco) passam por uma segunda fermentação alcoólica na garrafa.

Fermentação alcoólica Fermentação alcoólica

Fermentação malolática


183

O cultivo da videira é uma tarefa complexa que exige tratamentos, enxertos e podas. Os viticultores

praticam a multiplicação vegetativa das videiras, o que garante uma qualidade constante, mas

aumenta a susceptibilidade da plantação aos patógenos. Espera-se que os estudos genômicos

permitam identificar e selecionar genes de resistência a algumas enfermidades.

A transferência de genes de resistência de uma variedade a outra é vista com muita

desconfiança pelos produtores, porque o rótulo de varietal é parte da estratégia de vendas dos

vinhos de qualidade. Contudo, alguns produtores consideram aceitável a transferência de genes de

videiras rústicas para plantas de elite, com o objetivo de melhorar a produção.

Com a entrada no mercado internacional de países menos apegados às tradições (Estados

Unidos, Chile, Argentina, Brasil, África do Sul, Austrália etc.), pode ser que as novas tecnologias

genômicas se apliquem na produção de plantas resistentes a doenças e pragas.

O rol da levedura na vinificação

As propriedades organolépticas dos vinhos dependem basicamente da cultivar escolhida, mas as

enzimas da uva e as atividades metabólicas microbianas também cumprem um papel importante.

A transformação do mosto em vinho envolve inúmeras reações químicas desenvolvidas por

leveduras e bactérias lácticas. Com o mapeamento do genoma de ambos os microrganismos e a

construção de microarrays adequados, estas reações poderão vir a ser bem conhecidas e

controladas.

Existe a tendência, na indústria moderna, de substituir as leveduras selvagens por leveduras

enológicas selecionadas. Contudo, alguns produtores consideram que estas últimas massificam a

qualidade do vinho, preferindo utilizar as leveduras nativas e obter assim um produto original

qualitativamente diferente dos outros. Bancos de leveduras nativas facilitam a preservação da

biodiversidade.

Recentemente, duas linhagens de leveduras geneticamente modificadas fizeram sua entrada na

indústria de vinhos dos Estados Unidos e Canadá. Trata-se da levedura ML01, que realiza ambas as

fermentações (alcoólica e malolática), evitando a produção de histaminas, e da levedura ECMo01

que degrada a ureia, impedindo a formação de uma substância carcinogênica.

A CERVEJA

As bebidas fermentadas representam uma opção saudável na falta de água ou no caso de estar

contaminada. Todos os povos elaboraram alguma a partir dos elementos de seu entorno, sejam estes

grãos, frutas, raízes, caules ou folhas.

Em 4000 a.C, os habitantes das margens dos rios Tigre e Eufrates (Mesopotâmia) preparavam 20

variedades de cerveja a partir de um procedimento bem simples. Esmigalhava-se o pão de cevada em

um recipiente com água açucarada e, uma vez concluída a fermentação, a bebida era filtrada e

transvasada a outro recipiente.

Os procedimentos melhoraram a partir do século VII, quando os frades introduziram algumas

inovações como incluir diferentes tipos de ervas, uma prática que no século XI culminou com a

adição de lúpulo. No século XIV, a descoberta da técnica de fermentação baixa deu maior

estabilidade à bebida. Os trabalhos de Pasteur e o progresso da Microbiologia no século XIX

permitiram o desenvolvimento de uma poderosa indústria, cuja produção mundial supera os 1.000

milhões de hectolitros por ano.

A fabricação da cerveja começa com a maltagem, um processo em que os grãos de cevada

germinados são secados e moídos. O malte assim obtido contém as enzimas desenvolvidas durante a

germinação, capazes de catalisar a transformação do amido em açúcares fermentescíveis (Figura


184

15.3). Este processo é indispensável, porque não tendo amilases, as leveduras não fermentam o

amido.

Na brasagem o malte é misturado com água, possibilitando a digestão do amido por ação

enzimática. Mais tarde o mosto é filtrado e fervido, sendo então acrescentadas as flores de lúpulo

(Humulus lupulus, da família das Canabináceas) que, além de ter uma ação antisséptica, conferem à

bebida seu sabor amargo característico.

A maltagem e a brasagem são atividades prévias à fermentação alcoólica, que será conduzida

por leveduras (Saccharomyces cerevisiae). Os processos mais tradicionais utilizam leveduras que se

acumulam no topo da cuba, originando as cervejas do tipo ale, com menos de 4% de álcool. Contudo,

existem outras leveduras que sedimentam no fundo, gerando as cervejas de tipo lager, com mais de

6% de álcool. Uma vez concluída a fermentação do mosto, este recebe os tratamentos finais que

consistem em maturação, clarificação, carbonatação, pasteurização e engarrafamento.

No momento, a tecnologia do DNA-recombinante se limita a transformações com genes do

mesmo gênero (Saccharomyces), visando conseguir linhagens mais eficientes em relação ao processo

fermentativo, adequadas à cevada e ao lúpulo de diferentes regiões do mundo. Até o momento,

essas linhagens não são utilizadas comercialmente.

FIGURA 15.3. As etapas da produção de cerveja.

Cevada

Maltagem: Maceração, germinação secagem e moagem do malte.

Malte

Brasagem: Mistura, filtração e fervura do mosto.

Mosto

Cerveja

Acabamento: Amadurecimento, pasteurização e engarrafamento.

Comercialização

Fermentação alcoólica

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185

OS QUEIJOS E IOGURTES

A produção de laticínios

As raízes da produção de laticínios remontam ao ano 3000 a.C. (Oriente Médio), quando o homem

comprovara que, ao azedar, o leite mudava de consistência e de sabor. O soro podia ser consumido

fresco, e a adição de sal ao coágulo o conservava por mais tempo. Em torno de 2.000 a.C., a

utilização de estômagos de cabras e de ovelhas como recipientes para o leite permitiu obter queijos

mais sólidos e robustos. Mais tarde, os romanos introduziram extratos de plantas como o figo para

coagular o leite.

A explicação destes fenômenos é simples. As bactérias que normalmente se encontram no

úbere dos animais contaminam o leite, proliferando e formando ácido láctico. Nesse meio ácido, as

proteínas precipitam, separando-se do soro. A coagulação também ocorre em presença das enzimas

renina e pepsina da mucosa estomacal e da ficina do figo. Hoje, a produção mundial de leite

fermentado (iogurte, coalhada, quefir etc.) é de três milhões de toneladas por ano enquanto a de

queijos chega a 15 milhões de toneladas por ano (Figura 15.4 A).

Várias espécies bacterianas podem fermentar o leite: Streptococcus thermofilus, Lactobacillus

bulgaricus, Lactobacillus acidophilus, Streptococcus lactis, Bifidobacterium bifidum etc. A maioria dos

produtos vendidos como “leite fermentado” contém um número alto de microrganismos vivos;

sendo consumidos como probióticos, para prevenir o desenvolvimento de outros microrganismos

indesejáveis ou patogênicos no tubo digestivo.

Todos os queijos passam por três etapas: a coagulação, o dessoramento e a maturação (Figura

15.4 B). No entanto, a tecnologia de produção de queijos permite uma série de variações que se

traduz em mais de 400 tipos diferentes. Algumas dessas variações são a origem do leite (vaca, cabra,

ovelha, búfalo), o agente da coagulação (calor, enzimas, bactérias lácticas ou ambas), a umidade e

consistência (mole, semiduro, duro e muito duro) e a maturação. Muitos países aceitam 35

variedades definidas por regras internacionais.

O rol de microrganismos e enzimas

A produção de queijos envolve a acidificação do meio pelas bactérias lácticas, geralmente

Lactococcus lactis e Streptococcus thermophilus. O coalho, uma substância extraída do estômago de

bezerros, foi utilizado como agente da coagulação enzimática durante séculos, mas sua obtenção

ficou cada vez mais cara e difícil.

Para estabilizar a produção e satisfazer a maior demanda pelos produtos lácteos, usou-se

transferir o gene da renina a uma bactéria (Escherichia coli) e, mais tarde, a uma levedura

(Kluyveromyces) e um mofo (Aspergillus). Além da enzima produzida (quimosina) ser mais pura que a

renina, os suplementos são constantes, aumentando a eficiência da produção de laticínios e

diminuindo os custos.

O melhoramento de bactérias lácticas visa a obtenção de linhagens mais estáveis, resistentes

aos vírus bacteriófagos e produtoras de bacteriocinas, que são substâncias com atividade

antimicrobiana. Também linhagens capazes de liberar mais rapidamente suas enzimas poderiam

acelerar o processo de formação de aromas. Com o mapeamento do genoma, espera-se uma

intensificação das pesquisas nessa direção.

O desenvolvimento de bactérias e fungos durante a maturação confere suas características

típicas a alguns queijos como, por exemplo, a presença de olhaduras produzidas por

Propionabacterium no Gruyère, ou de um manto branco de Penicillium no Camembert e no Brie ou,

ainda, as estrias azuis de Penicillium no Gorgonzola ou no Roquefort.


186

FIGURA 15.4. A produção de laticínios. A. Iogurte tradicional e iogurte batido. As variações dependem de acréscimos (açúcar, frutas etc.) e de modificações de consistência (cremoso, firme, batido).

Leite + leite em pó (+ açúcar)

Pasteurização

Inoculação com lactobacilos

Preenchimento das embalagens

Resfriamento Agitação (+ adição de frutas)

Preenchimento das embalagens

Iogurte tradicional Iogurte batido

Comercialização Comercialização B. Queijo. Os agentes biológicos intervêm nas etapas de coagulação e na maturação de alguns produtos.

Leite

Pasteurização

Inoculação com lactobacilos, coalho ou enzimas e adição de CaCl2

Coagulação

Dessoramento

Enformagem, prensagem, viragem e salga

Inoculação com fungos e/ou bactérias

Maturação

Embalagem e comercialização

Fermentação láctica

Fermentação láctica Fermentação láctica


187

A PROTEÍNA DE CÉLULA ÚNICA

Em um sentido amplo, o termo SCP (do inglês single cell protein) se refere à proteína bruta ou

refinada originada pelo crescimento de bactérias, algas, fungos ou mofos. De fato, os microrganismos

são muito mais produtivos que os animais de criação. Enquanto uma vaca produz 200 g de proteína

por dia, os microrganismos, teoricamente, podem produzir 25 toneladas, no mesmo tempo e em

condições ideais.

Nas décadas de 1960 e 1970, especulava-se com a utilização de derivados do petróleo como

matéria-prima para o crescimento microbiano, mas com a crise dos anos 1980, a ideia de um “bife de

petróleo” foi abandonada. Atualmente utilizam-se como substrato os excedentes e os restos

agrícolas ou industriais, e a maioria dos processos visa o enriquecimento de rações animais.

A introdução de proteína microbiana na alimentação humana demanda um processo extra de

purificação por ter um conteúdo de ácido úrico muito alto. Contudo, a empresa Ranks Hovis

McDougall (RHM) conseguiu um produto, denominado Quorn, adaptado para a nutrição humana,

utilizando o fungo Fusarium graminearum.

Esse alimento apresenta um alto teor proteico (45%), uma composição em aminoácidos

parecida com a da carne de vaca, um alto conteúdo de fibras e uma quantidade aceitável de ácidos

nucleicos (1%). Por não ter cheiro ou sabor, o produto pode ser utilizado como substituto de peixe,

frango ou carne. A semelhança dependeria do comprimento das fibras.

OS ADITIVOS

OS DIVERSOS TIPOS

A adição de algumas substâncias nos alimentos tem diversos objetivos como, por exemplo, conservá-

los por mais tempo (antibióticos, ácido acético, ácido láctico, etanol), complementar seu valor

nutritivo (vitaminas, aminoácidos) ou mudar a consistência (gomas e enzimas). Os aditivos também

são usados para melhorar a cor e o flavor, um termo que abarca o aroma, o sabor e a textura. Apesar

da má fama que os acompanha, só uma em 6.000 pessoas apresenta alergia e intolerância aos

aditivos, um número baixo, considerando que uma pessoa em 50 é alérgica ou intolerante a algum

alimento.

Os principais aditivos utilizados pela indústria de alimentos são os ácidos cítrico e láctico, alguns

corantes naturais (-caroteno, riboflavina), flavorizantes (monoglutamato de sódio, extrato de

levedura, aromas), gomas espessantes (xantana, gelana, dextrana), antioxidantes (-caroteno),

vitaminas (B2, B12, Biotina), enzimas e antibióticos. Alguns desses aditivos são obtidos em culturas de

células vegetais. Outros têm uma origem microbiana, sendo utilizadas linhagens de microrganismos

geneticamente modificados para sua produção industrial.

Vimos anteriormente o importante rol desempenhado por algumas enzimas na produção de

alimentos e bebidas por fermentação. Falta destacar o uso da lactase na elaboração do leite

deslactosado, um produto dirigido às pessoas com intolerância à lactose. E da pectinase que, junto

com celulases e amilases, facilita a extração do suco de frutas retido na pectina, sendo também

utilizada na clarificação do suco.

Finalmente, entre os antibióticos usados para conservar alimentos, citaremos a Nisina (INS234),

que inibe o crescimento de bactérias Gram-positivas em queijos, salsichas e produtos cozidos de

origem avícola, e também a Natamicina ou Pimaricina (INS235), utilizada como conservante na

superfície de produtos cárneos embutidos.


188

OS ADOÇANTES

Outro caso interessante é o dos adoçantes. O aspartame (ácido aspártico e fenilalanina) é consumido

para limitar a ingestão de calorias, e o xilitol, para diminuir a incidência de cáries dentárias. Outros,

como o xarope de glicose ou de frutose, substituem o açúcar na indústria de alimentos.

A hidrólise ácida ou enzimática (-amilase e glicoamilase) do amido do milho produz xaropes de

maltose e de glicose. Já a ação enzimática da lactase sobre o soro das indústrias de laticínios origina

um xarope de dextrose (glicose, galactose). Uma vez refinados e concentrados, esses xaropes podem

ser usados como ingredientes na elaboração de produtos alimentícios (biscoitos, sorvetes etc.).

O poder adoçante da glicose é menor que o da frutose, mas a transformação enzimática

(invertase ou glicose isomerase) transforma uma em outra (Figura 15.5). O resultado é um xarope

(42% de frutose, 52% de glicose) que pode ser concentrado por métodos cromatográficos até

alcançar um teor de 90% de frutose. A indústria de refrigerantes substitui a sacarose pelo xarope de

frutose com uma concentração de 55%, obtido mediante a mistura dos dois tipos.

O processo começou a ser estudado na década de 1960, sendo o custo da glicose-isomerase o

principal fator limitante da tecnologia. Com o desenvolvimento das técnicas de imobilização

enzimática, o processo tornou-se econômico, possibilitando o uso do amido proveniente de cereais

excedentes. Mas por outro lado prejudicou os países produtores de açúcar, que viram diminuir a

demanda por este produto.

O descobrimento de um gene microbiano capaz de transformar a sacarose em cadeias curtas de

frutose (fructanos), com o mesmo gosto e desprovidas de calorias, indica que novos produtos

poderão entrar em breve no mercado de adoçantes.

FIGURA 15.5. A produção de xarope de frutose.

A hidrólise e a sacarificação do amido produzem glicose; esta é transformada em frutose pela enzima glicose-isomerase, imobilizada em um biorreator.

Amido de milho, batata ou trigo Amilases e glicoamilases

Hidrólise e sacarificação

Glicose Isomerização (invertase imobilizada)

Frutose


189

OS ALIMENTOS BIOFORTIFICADOS

O homem não se alimenta exclusivamente por motivos fisiológicos. A seleção dos alimentos ocorre

dentro de uma tradição sociocultural que inclui a noção do que é saudável. O homem tenta escolher

os alimentos em função da satisfação sensorial, emocional e afetiva que espera obter, mas o peso

das considerações econômicas é decisivo.

Combate-se a fome de uma população dando-lhe acesso aos alimentos. Contudo, a falta total de

alimentos é hoje um fenômeno menos frequente que a desnutrição devida à carência de

determinados nutrientes na dieta. Descrita magistralmente por Josué de Castro, na década de 1950,

essa fome parcial ou fome oculta ainda afeta mais da metade da população mundial,

fundamentalmente mulheres e crianças, sendo a causa de diversas doenças.

Segundo a Organização Mundial da Saúde, o ferro, o zinco e a vitamina A são as principais

deficiências nutricionais dos países em desenvolvimento. A estratégia tradicional consiste em

suplementar os alimentos industrializados com os nutrientes correspondentes. Existem outras

possibilidades, tais como a fertilização dos solos e, consequentemente, o enriquecimento das

culturas de base.

Contudo, o melhoramento genético parece ser a estratégia mais promissora para aumentar as

concentrações de nutrientes nas culturas de base (arroz, milho, trigo, feijão, mandioca e batata-

doce). A engenharia genética pareceria, a priori, a via mais rápida para fortificar os alimentos. Porém,

os empecilhos legais encontrados pelo arroz com pró-vitamina A (Golden Rice), que conta com mais

de 10 anos pronto sem ter sido comercializado, desestimulam a escolha dessa tecnologia.

Na biofortificação dos cultivos são utilizadas outras tecnologias com base biológica. Nos Bancos

de Germoplasma do CGIAR já foram encontradas variedades de feijão com maior conteúdo de ferro,

de arroz e trigo com altos níveis de zinco, de mandioca, milho e batata-doce ricos em vitamina A etc.

As novas técnicas de análise genética de traços quantitativos e, especialmente, a seleção assistida

por marcadores moleculares facilitam o melhoramento genético das culturas de base.

As novas variedades deverão ser altamente produtivas e contar com os nutrientes desejados.

Espera-se que contem com a aceitação das populações necessitadas e, também, que os nutrientes

sejam assimilados de maneira a melhorar sua condição nutricional.

A biofortificação de alimentos é um programa internacional desenvolvido por HarvestPlus

(CGIAR), um consórcio de instituições de pesquisa e agências de desenvolvimento que age

especialmente na América Latina e na África. No Brasil, a Embrapa Agroindústria de alimentos

participa do programa HarvestPlus, tendo já desenvolvido variedades biofortificadas de feijão e

milho. Os primeiros testes estão sendo realizados em Sergipe.

SEGURANÇA ALIMENTAR

Em relação aos alimentos, a noção de segurança está baseada na tradição. Com o desenvolvimento

de uma moderna indústria de alimentos, surgem alguns questionamentos.

Atualmente, linhagens microbianas selecionadas são utilizadas para iniciar as fermentações,

como starters. Ao acabar o processo fermentativo, essas linhagens podem permanecer no meio,

como os lactobacilos dos iogurtes. Também podem ser eliminadas por calor ou filtração, como as

leveduras do pão e da cerveja.

Apesar de ter passado por uma série de processos seletivos que as torna muito diferentes

geneticamente das linhagens selvagens, as linhagens starters são bem conhecidas e não representam

risco algum para a saúde. Classificadas pelas agências internacionais como GRAS (do inglês, generally

recognized as safe) essas linhagens são as únicas permitidas na produção de alimentos.


190

Não existem normas explícitas sobre o que seria um OGM food-grade, isto é, um microrganismo

transgênico que possa ser utilizado na indústria de alimentos. Alguns aspetos de biossegurança

teriam que ser considerados. Um deles seria evitar ou eliminar qualquer gene de resistência a

antibióticos que tivesse sido introduzido como marcador seletivo na transferência gênica. O outro diz

respeito aos organismos doadores de genes, esboçando-se diferentes critérios.

Segundo um critério estrito, para poder ser considerado food grade, um OGM deveria conter

exclusivamente DNA da mesma espécie, aceitando-se na construção gênica a presença de pequenos

fragmentos sintéticos de DNA, sempre que não codifiquem DNA ou RNA. Em outros termos, a

tecnologia do DNA-recombinante se aplicaria a microrganismos de diferentes linhagens da mesma

espécie.

Atualmente, tem obtido aceitação um critério mais amplo, permitindo a inclusão de DNA de

outros microrganismos alimentares, a condição de estes pertencerem ao mesmo grupo de

microrganismos que participam no processo. Como, por exemplo, a transferência de genes das

bactérias maloláticas para as leveduras da vinificação.

A aceitação de OGMs nos alimentos depende das regulamentações de cada país, bem menos

flexíveis na Europa que nos Estados Unidos e no Canadá, onde recentemente fora colocada no

mercado uma linhagem de Lactococcus geneticamente modificada e considerada GRAS.

As enzimas cumprem um importante papel em várias das indústrias de alimentos (produção de

pães, biscoitos, laticínios, sucos de frutas, bebidas alcoólicas, derivados do amido e de proteínas).

Atualmente, mais de 30 enzimas diferentes são utilizadas no processamento de alimentos.

A primeira enzima sintetizada por um microrganismo transgênico foi a quimosina, que é

utilizada há anos como substituto da renina de origem animal, na produção de queijos. Hoje,

aproximadamente 80% dos queijos são elaborados com quimosina, sendo aceitos pelos

consumidores lactovegetarianos.

Os microrganismos utilizados para a síntese de enzimas food-grade são organismos

pertencentes à categoria GRAS, bem conhecidos e altamente produtivos, aos quais foram

transferidos os genes de interesse mediante engenharia genética. Esses OGMs não estão presentes

na preparação final que, depois de purificada, contém exclusivamente a enzima. Essa modalidade

produtiva garante à indústria de alimentos várias enzimas seguras e de baixo custo entre proteases,

amilases, lipases, lactases, pectinases, glicose-oxidase, invertases etc.

A esse respeito, pareceria haver um consenso amplo, incluindo a Comissão Europeia, que

considera que os aditivos (corantes, aromas e flavorizantes) só devem ser rotulados como sendo de

origem transgênica se o produto final tiver DNA ou proteína de origem recombinante.

A mais alta autoridade internacional sobre os alimentos é o Codex Alimentarius, uma comissão

de FAO/WHO, reconhecida por 169 países. Esta Comissão se encarrega de estabelecer uma

metodologia que permite analisar a segurança alimentar em relação aos produtos derivados de

microrganismos geneticamente modificados

.

16. BIOTECNOLOGIA E ALIMENTOS NOVOS



A ENTRADA DOS TRANSGÊNICOS NA CADEIA ALIMENTAR

Os alimentos industrializados podem conter alguns componentes de origem transgênica (soja, milho)

assim como substâncias produzidas por microrganismos geneticamente modificados (enzimas,

aditivos etc.). Poucos são os alimentos transgênicos que são consumidos diretamente: o milho e, nos

Estados Unidos, a papaia resistente a vírus e algumas variedades de abóbora. Aguarda-se a entrada

no mercado do arroz com provitamina A e do salmão de crescimento rápido.

A primeira onda de produtos comercializados internacionalmente esteve limitada a poucas

plantas, principalmente milho, soja, algodão e canola, às quais foram transferidos traços como a

tolerância a herbicidas e/ou a resistência a insetos e infecções virais. Essas plantas foram aceitas

rapidamente pelos produtores agrícolas porque permitiam, principalmente, maior produtividade e

menores custos.

Apesar das novas tecnologias terem diminuído as contaminações por fungos, melhorando a

qualidade da matéria-prima, os consumidores não perceberam nenhuma vantagem direta. Isso

explicaria em parte a resistência aos transgênicos por parte do grande público.

MELHORANDO A CONSERVAÇÃO

Para despertar o interesse do consumidor são necessários produtos com qualidades que o

beneficiem diretamente, tais como o aumento no tempo de conservação dos frutos.

O tomate amolece com o tempo, tendo que ser colhido ainda verde e transportado rapidamente

até o lugar de comercialização, onde a maturação é induzida com etileno. O fruto poderia

permanecer mais tempo na planta, ganhando cor e sabor, se a enzima responsável pelo

amolecimento do fruto fosse inativada. Utilizando a tecnologia anti-sense, a Calgene Inc. produziu o

tomate FlavSavr, o primeiro alimento resultante da nova biotecnologia, liberado nos Estados Unidos

em 1994 e descontinuado pouco tempo depois devido ao seu custo.

Mais tarde, outro tomate de maturação lenta ocupou esse nicho de mercado. Diferentemente

do exemplo anterior, este tomate teve uma expansão muito rápida em numerosos países, onde é

comercializado com nomes distintos. A tecnologia anti-sense não foi abandonada, sendo aplicada no

melhoramento de outros vegetais (brócolis, aipo, cenoura, melão e framboesa).

MELHORANDO AS PROPRIEDADES INDUSTRIAIS

Uma forma de despertar o interesse do consumidor é melhorando algumas das propriedades dos

alimentos industriais, tais como óleo de canola e de girassol, com uma composição adequada às

frituras, trigo com características especiais para a panificação ou batata com mais amido, que

absorve menos gordura ao fritar.

Um caso interessante foi o do tomate com mais pectina, desenvolvido por Zeneca Plant Science

a partir de variações genéticas detectadas em cultura de tecidos. Esse tomate era utilizado na

preparação de massa ou purê de tomate, com menos consumo de energia e menor necessidade de

aditivos (espessantes) que o fruto tradicional.


192

O produto resultava mais econômico tanto para a indústria como para o consumidor, sendo

vendido com bastante aceitação pela rede Sainsbury (Reino Unido), entre 1996 e 1999. No auge da

campanha contra os transgênicos, o produto teve que ser retirado do mercado.

MELHORANDO AS CARACTERÍSTICAS NUTRICIONAIS

Outra forma de chegar ao consumidor seria mediante produtos com melhores características

nutricionais: carne e leite com menos gordura, soja e batata com mais proteína, frutas mais doces,

canola com vitamina A, milho com metionina, mandioca e batata sem toxinas, camarão e amendoim

sem substâncias alergênicas etc. Também seriam bem-vindos alimentos com melhores propriedades

organolépticas, tais como pimentões e melões com mais aroma ou cebolas que não façam chorar.

O consumidor também poderia ser atraído por alimentos com componentes biologicamente

ativos, como os antioxidantes do chá verde ou as substâncias capazes de diminuir o colesterol que se

encontram no alho e na cebola.

Quais as tecnologias com chances de ser aceitas pelo público, engenharia genética ou

melhoramento convencional, assistido por técnicas de biologia molecular?

Um primeiro caso a analisar é o do arroz dourado (Golden Rice). O arroz é uma planta que não

produz vitamina A. Na Ásia, onde este constitui a base da alimentação, a deficiência vitamínica mata

6 mil crianças por dia e cega 500 mil por ano. Um grupo de pesquisadores, liderado por Ingo

Potrykus, obteve, na Suíça, mediante a transferência de genes do narciso, um arroz com a

capacidade de sintetizar o ß-caroteno, que é um precursor da vitamina A.

O projeto contou com subvenções privadas, e várias das grandes corporações cederam as suas

patentes. Apesar de estar pronto desde 1999, o arroz dourado ainda não chegou ao mercado, tais os

empecilhos legais encontrados em função de sua origem transgênica, que poderão pospor sua

distribuição até 2014. Se o Golden Rice tivesse sido obtido por vias convencionais, estaria no

mercado desde 2003.

Um segundo caso é o da soja Vistive® (Monsanto), que reúne um traço transferido mediante

técnicas de melhoramento convencionais (baixo teor de ácido linolênico) e um traço de origem

transgênica (tolerância ao herbicida Roundup). Lançado no mercado norte-americano em 2005, o

óleo de soja Vistive representou um passo adiante na prevenção de doenças cardiovasculares e de

altos níveis de colesterol. Empresas como Kellog e Cargill o utilizaram logo na preparação de

alimentos com melhor qualidade nutricional. Por se tratar de um nicho promissor, outras variedades

com alterações no teor de ácidos graxos estão a caminho (Soymega™, com mais Ômega 3).

A FAVOR OU CONTRA?

A favor ou contra? Responder essa pergunta é simplificar excessivamente uma questão complexa.

Seja qual for a resposta, ela estará atrelada ao momento histórico que vivemos e às nossas

concepções políticas, econômicas e sociais.

Nossa atitude em relação aos transgênicos depende, em grande parte, da visão que cada um de

nós tem da natureza. Conforme ela for considerada “fundamentalmente boa” ou

“fundamentalmente ruim”, toda modificação que venha da mão do homem será considerada

perigosa ou vantajosa. Dependendo da confiança depositada no conhecimento científico e no

progresso tecnológico, os novos alimentos serão vistos como produtos interessantes e promissores

ou como uma ameaça.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 16: Biotecnologia e alimentos novos

193

Apesar da subjetividade da questão, alguns dados podem ajudar a compreender a origem da

polêmica. Em 1996, culmina na Europa a crise da “vaca louca”. Em 1997, é aprovado na União

Europeia o milho resistente à broca de Novartis, cujo marcador era um gene de resistência a

ampicilina. Em 1999, estoura na Bélgica o escândalo dos frangos contaminados por dioxinas. A

percepção pública foi de insegurança alimentar, possibilitando a formação de uma oposição feroz.

De um lado, encontraram-se as empresas de biotecnologia, ligadas a poderosos conglomerados

multinacionais e com interesses econômicos muito bem definidos. Do outro, as redes de distribuição

de alimentos (Carrefour, Mark and Spencer), associadas aos ambientalistas (Greenpeace, Friends of

Earth) e aos produtores agrícolas (Confédération Paysanne).

Com uma bem sucedida campanha de marketing (“não queremos frankenfood”), as redes de

distribuição teriam aproveitado a oportunidade para impulsionar seus próprios produtos e lançar

suas próprias marcas.

Fora de qualquer argumentação baseada na ciência, a banalização da discussão acirrou o

enfrentamento entre partidários e oponentes dos alimentos transgênicos. Os termos progressista e

reacionário foram usados indiscriminadamente por ambos os grupos. O dissenso e a discussão fazem

parte das sociedades democráticas. Infelizmente, nessa campanha, queimaram-se laboratórios de

pesquisa e campos com cultivos experimentais.

Os fatos são preocupantes, porque nos países ricos (Estados Unidos, Europa) não faltam

alimentos, e a escolha de uma tecnologia pode depender de considerações econômicas ou

ideológicas, mas, nos países mais pobres, a adoção ou rejeição de uma tecnologia é uma decisão que

pode ter gravíssimas consequências para sua população, condenando-a inclusive à fome. Na Zâmbia

(2002) e em Angola (2004), os governos respectivos rejeitaram o milho enviado como ajuda

humanitária para alimentar a população, argumentando que era transgênico. Outros países africanos

também proibiram a importação de alimentos de origem transgênica (Malaui, Moçambique e

Zimbábue).

O QUE O CONSUMIDOR PRECISA SABER

A NOÇÃO DE SEGURANÇA

A noção de segurança alimentar costuma ser bastante flexível. A batata foi vista como um alimento

perigoso, quando introduzida na Europa. A pasteurização do leite teve opositores ferrenhos, porque

alteraria a qualidade de um alimento saudável. O amendoim é considerado seguro, mas pode não sê-

lo se estiver contaminado com fungos. Muitas pessoas são alérgicas ao kiwi, introduzido

recentemente no Ocidente. Algumas pessoas continuam ingerindo gorduras em quantidade, mesmo

sabendo que são perigosas.

Todos os alimentos de origem transgênica comercializados atualmente foram devidamente

analisados e aprovados no país de origem. Milhões de consumidores os consomem há vários anos,

entre norte-americanos, canadenses, sul-africanos, brasileiros, argentinos e chineses. E vários

Comitês Científicos, Prêmios Nobel, Academias de Ciências e organizações internacionais concluíram

que os alimentos geneticamente modificados disponíveis são tão seguros quanto os alimentos

tradicionais.

Enfrentando uma intensa propaganda e recebendo opiniões contraditórias, o consumidor sente-

se inseguro: Será perigoso? Será a mesma coisa? E se causar alergia? E se simplesmente der errado e

acontecer alguma coisa que ninguém previu?


194

FIGURA 16.1. A estrutura de um transgene.

Para garantir a seleção e a expressão da sequência codificadora que será transferida, deve-se construir em

redor uma estrutura complexa que, além de um promotor e uma sequência terminal, inclui um gene marcador.

Gene marcador Transgene Sequência terminal

Promotor

A INGESTÃO DE DNA

A ingestão de DNA, per se, não é perigosa. Este é um componente de nossos alimentos: um tomate

tem 7mg de DNA, uma banana, 50 mg e um sanduíche, 60 mg. O DNA é digerido normalmente, junto

com os outros componentes dos alimentos.

Em relação ao alimento transgênico, calcula-se que uma vaca de 600 kg consumindo uma

ração composta por milho geneticamente modificado, ingeriria 600 mg de DNA por dia, dos quais 1,5

mg seria DNA recombinante, o que corresponde a 0,00024% do DNA ingerido diariamente na ração,

uma proporção muito baixa.

OS MARCADORES DE RESISTÊNCIA A ANTIBIÓTICOS

Não há evidências de transferência in vivo do DNA ingerido ao homem ou a microrganismos no

intestino. Porém, os estudos in vitro indicam que, mesmo em uma frequência extremamente baixa,

essa transferência poderia ocorrer. Apesar de sabermos que, se uma bactéria tivesse se tornado

resistente, sua implantação no tubo digestivo só poderia ocorrer na presença do antibiótico como

agente seletivo, a utilização de marcadores de resistência a antibióticos no transgene é um motivo de

preocupação (Figura 16.1).

Geralmente, utilizam-se como marcadores antibióticos sem uso clínico e para os quais já se

encontrou resistência nas bactérias intestinais, de maneira que a transferência do marcador não

mudaria a situação. Considerando que já existe a tecnologia apropriada, a recomendação das

agências internacionais é de substituir ou eliminar esse tipo de marcadores.

A COMPOSIÇÃO QUÍMICA

Em relação aos produtos que já estão comercializados, o alimento geneticamente modificado e o

alimento convencional têm a mesma composição química e o mesmo valor nutritivo. No caso de um

alimento geneticamente modificado para sintetizar uma vitamina extra, por exemplo, a situação é

diferente e este não pode ser considerado igual ao alimento convencional. Estudos adicionais são

necessários.

A PRODUÇÃO DE TOXINAS

Outra preocupação diz respeito à produção eventual de toxinas. Sabe-se que as plantas sintetizam,

para sua defesa, substâncias químicas que podem ser tóxicas para o homem ou os animais. Uma

delas é a toxina do Bacillus thuringiensis que, por ser prejudicial para os insetos e inócua para o

homem, está sendo utilizada sem problemas nas lavouras orgânicas, há mais de 40 anos.


195

Normalmente, a presença de uma toxina é investigada mediante ensaios biológicos em diversas

espécies de animais, alimentados durante um tempo com o produto transgênico. Os ensaios são

complementados com estudos de anatomia patológica. A avaliação toxicológica realizada nos

alimentos geneticamente modificados já comercializados não detectou efeitos adversos. E, apesar de

sua repercussão na mídia, as declarações de Pusztai em 1999 sobre a toxicidade de batatas

transgênicas (não comerciais) em ratos não puderam ser confirmadas.

A PRODUÇÃO DE ALÉRGENOS

A incidência de alergias alimentares é de 1-2% em adultos e 5% em crianças, sendo provocadas

principalmente por trigo, leite de vaca, ovos, peixe, amendoim e soja. As alergias se caracterizam

pela hipersensibilidade a uma ou mais proteínas que desencadeiam reações diversas, tais como

urticária, vômito ou diarreia.

A transgênese poderá vir a melhorar a qualidade dos alimentos se ela for utilizada como

ferramenta para eliminar substâncias sabidamente alergênicas dos alimentos. Mas o temor do

consumidor é que o transgene acabe sintetizando alguma proteína capaz de desencadear uma crise

alérgica.

Uma mesma proteína pode ser inócua para uma pessoa e alergênica para outra, sendo

impossível prever o efeito que ela terá em uma terceira. Entretanto, sabendo que alguns alimentos

são mais alergênicos que outros, deve-se ter cuidado em relação à origem do transgene.

Um exemplo clássico citado frequentemente é o da transferência à soja de um gene da

castanha-do-pará, com o objetivo de melhorar suas qualidades nutritivas. Vale a pena assinalar que,

frente à possibilidade de induzir reações alérgicas em pessoas sensíveis à castanha-do-pará, o

projeto foi descontinuado sem que essa soja saísse do laboratório.

É sabido que o risco de uma proteína ser alergênica aumenta se esta apresentar determinadas

sequências de aminoácidos, se ela se degradar lentamente no tubo digestivo ou se permanecer

estável durante o processamento industrial. Estas características são passíveis de estudos, havendo

diretrizes internacionalmente aceitas para a avaliação de alergenicidade. Complementa-se a

informação mediante análises laboratoriais com os anticorpos de pessoas sensibilizadas e, também,

mediante testes em animais capazes de desenvolver alergias aos mesmos tipos de alimentos que os

seres humanos.

O risco de alergenicidade dos alimentos transgênicos comercializados até agora não é maior que

o dos alimentos convencionais. Observe-se que esses alimentos passaram por testes que nunca

foram aplicados no arroz, no milho, na batata ou no kiwi, uma fruta introduzida recentemente no

Ocidente e que se asseverou ser altamente alergênica.

Em relação ao escândalo do milho Star Link, que fora liberado nos Estados Unidos para compor

rações animais e contaminara tortillas e tacos destinados ao consumo humano, nenhuma das

denúncias de alergia à proteína correspondente fora confirmada. No entanto, restou uma lição bem

clara em relação à biossegurança: não se pode liberar um cultivo para ração se este for inadequado

para seres humanos.

A UTILIZAÇÃO DE UM PROMOTOR VIRAL (CaMV)

Na construção de um transgene, as sequências promotoras são colocadas para determinar quando,

onde e como irá se expressar a proteína codificada. Alguns autores manifestaram sua preocupação

com a utilização do promotor do vírus do mosaico da couve-flor (CaMV), considerando que sua

transferência horizontal de uma planta transgênica ao homem, no aparelho digestório, poderia ativar

outros genes não virais (oncogenes).


196

Essa preocupação não teria maiores fundamentos, dado que o promotor CaMV é detectado em

14 a 25% da produção de canola, de couve-flor e de repolho, sendo ingerido pelo homem em

quantidades consideráveis faz décadas e sem nenhum efeito reconhecido.

OUTROS EFEITOS

A inserção de várias cópias gênicas em diferentes lugares do genoma poderia gerar a ativação ou

desativação de outros genes, gerando no organismo geneticamente modificado algum tipo de

alteração que não fora previsto.

Até agora, não fora registrado nenhum efeito deste tipo nos produtos comercializados, e a

tecnologia de microarrays permite excluir essa possibilidade.

COMO GARANTIR A SEGURANÇA ALIMENTAR?

O PRINCÍPIO DE EQUIVALÊNCIA SUBSTANCIAL

Antes de comercializar um alimento transgênico, avaliam-se os riscos que este apresenta para os

seres humanos, os animais e o ambiente.

Assim como não há cidade segura, há cidades mais seguras que outras. O conceito de segurança

se estabelece sempre em relação a algum marco de referência. Quando se trata de segurança

alimentar, o referencial é o alimento já conhecido e consumido habitualmente. Por isso, antes de

chegar ao mercado, os aditivos, os conservantes e os corantes convencionais novos estão sujeitos à

aprovação. Assim como qualquer novo ingrediente de origem biotecnológica.

Um alimento originado por biotecnologia moderna é tão seguro para o consumo quanto um

alimento que tenha a mesma composição, as mesmas características nutritivas e um histórico de uso

seguro. Esse é o denominado princípio de equivalência substancial, admitido por numerosas

organizações internacionais como FAO (Food and Agriculture Organization), WHO (World Health

Organization), OECD (Organization for Economic Cooperation and Development), ILSI (International

Life Science Institute). O princípio dá toda a importância ao produto final e não à tecnologia aplicada

para sua obtenção.

A AVALIAÇÃO DE RISCOS

Não é possível dizer que “todos os alimentos transgênicos são seguros” nem sequer “este alimento

transgênico é seguro”. Só podemos afirmar que “os alimentos transgênicos podem ser seguros ou

não” e que “determinado alimento transgênico é tão seguro quanto o seu equivalente”. A análise

terá que ser feita caso a caso.

Por exemplo, o amido de uma batata resistente a vírus é idêntico ao amido de uma batata

qualquer. Porque o amido é um carboidrato purificado, sem DNA nem proteína da planta da qual foi

extraído. O mesmo raciocínio pode ser feito em relação ao óleo de canola ou de soja. Já no caso da

torta de soja ou da espiga de milho, os genes inseridos sintetizam proteínas e ambos se encontram

no produto final, por conseguinte, deve-se analisar se estes podem ter algum efeito no organismo

que os ingere.

Todos os parâmetros anteriormente citados terão que ser avaliados: a construção do transgene,

os efeitos devidos à presença do transgene (eventualmente, substâncias tóxicas ou alergênicas), o

valor nutritivo e, também, os efeitos não previstos devidos à presença do transgene. E como em dois

organismos pode-se inserir o mesmo gene em diferentes lugares e de diferentes modos, cada evento

deverá ser analisado separadamente.


197

Essa metodologia, denominada análise de risco de alimentos geneticamente modificados para a

saúde humana, garante que o alimento e quaisquer substâncias que resultem da modificação

genética, seja tão seguro quanto seu análogo convencional.

A ROTULAGEM DOS ALIMENTOS

Não há no momento um consenso em relação aos rótulos: em alguns países não há nenhuma

regulamentação, em outros se adota o rotulado voluntário ou se estabelecem normas rígidas.

Nos Estados Unidos, o sistema está baseado na responsabilidade da indústria e na avaliação de

várias agências federais, cabendo a FDA (US Food and Drug Administration) a avaliação da segurança

alimentar das novas variedades (vegetais, laticínios, peixes, frutos de mar e aditivos) e à USDA (US

Department of Agriculture) a regulação dos produtos cárneos e avícolas além dos testes de campo de

todas as plantas geneticamente modificadas. Tendo a responsabilidade pelo uso de pesticidas

químicos, corresponde à EPA (Environmental Protection Agency) a aprovação das plantas

geneticamente resistentes a pragas.

Nos Estados Unidos, aproximadamente 20 das variedades transgênicas cultivadas estão

autorizadas para o consumo humano. Não são rotuladas, a menos que o valor nutricional do

alimento tenha sido alterado, como no caso do óleo Vistive, ou se tiver sido incorporada alguma

substância capaz de produzir alergias. A experiência de mais de uma década de consumo de

alimentos transgênicos confirma que estes são equivalentes aos alimentos convencionais. Apesar de

alguns grupos ativistas terem manifestado sua oposição aos alimentos transgênicos, isto não tem

afetado a estabilidade do sistema de avaliação.

Na Argentina e no México, a rotulagem não é obrigatória.

Na União Europeia, rege o princípio de precaução. Como o que importa é o processo seguido na

produção do alimento, a legislação de 2004 manda rotular todos os produtos de origem transgênica

destinados à alimentação humana ou animal. A regulamentação é extensiva a cantinas e

restaurantes. Também é obrigatório o rótulo nos alimentos que contenham mais de 0,9% de material

geneticamente modificado, incluindo rações, óleos vegetais, sementes etc.

Por outro lado, a legislação europeia considera que, sendo auxiliares de transformação, não há

necessidade de rotular alimentos e bebidas preparados com substâncias produzidas por OGM, se

estes ou seus resíduos não estiverem presentes no produto final. Tampouco são rotulados os

produtos provenientes de animais alimentados com rações transgênicas (carne, leite, ovos) nem o

mel de abelhas alimentadas com néctar de flores de plantas transgênicas.

O objetivo destas medidas é garantir a escolha do consumidor e a rastreabilidade dos

transgenes ao longo da cadeia alimentar. O rótulo indica "este alimento contém organismos

geneticamente modificados" ou "produzido a partir de (nome do organismo) geneticamente

modificado".

No Brasil, o Decreto 4.680 (24/4/2003) determina que, a partir de abril 2004, todos os produtos

com mais de 1% de ingredientes transgênicos sejam rotulados, com um símbolo específico de

tamanho maior a 1 cm2, um triângulo com uma letra T inserida dentro (Figura 16.2).

FIGURA 16.2. O símbolo de transgênico, adotado no Brasil.


198

ROTULO E INFORMAÇÃO

Quando se trata de escolher entre dois alimentos, basta recorrer à nossa percepção sensorial ou,

ainda, à nossa experiência pessoal. Nenhuma das duas permite reconhecer a presença de

ingredientes transgênicos, ou de origem transgênica, nos alimentos.

Em função da resistência de alguns grupos de consumidores, a rotulagem pareceria a saída mais

lógica para informar de maneira honesta, exata e completa sobre os produtos das prateleiras.

Vimos no Capítulo 13 que os produtores de sementes comerciais admitem como aceitável uma

contaminação de 1% entre as variedades convencionais. Essa contaminação também é inevitável

quando coexistem plantações transgênicas e convencionais. Por conseguinte, o limite de 1% redefine

o nível de pureza de um ingrediente de origem vegetal, admitindo-se que todo valor inferior a esse

limite pode ser o resultado de uma contaminação acidental.

Sendo assim, o consumidor pode comprar um produto com mais de 1% de ingredientes

transgênicos ou um produto convencional cuja composição conta mais de 99% de ingredientes não

transgênicos. Em outras palavras, o rótulo não garante ao consumidor a ausência de transgênicos.

Finalmente, cabe refletir sobre o significado de um rótulo para a maioria dos consumidores, e se

a escolha entre um produto e outro não dependerá essencialmente do preço e do marketing.

Somente o processo educativo pode dar à população os elementos básicos para formar uma opinião

informada e responsável e fazer suas escolhas.

O RASTREAMENTO DE UM TRANSGENE

Em um mundo globalizado, a variedade de regulamentos e de modalidades de rotulagem é um fator

de complicação das transações comerciais, em que a qualidade de um produto pode ter que ser

definida em relação à presença ou ausência de um transgene.

A aceitação dos transgênicos varia de um país para outro e, também, entre diversos grupos de

consumidores. Por isso é importante contar com formas de rastreamento como a técnica da PCR

(reação em cadeia da polimerase), que pode ser aplicada em diferentes modalidades:

Testes qualitativos, para reconhecer a presença ou ausência do transgene.

Testes semiquantitativos, em que a presença ou ausência do transgene é determinada em função de

um limite como 1%, por exemplo.

Testes quantitativos, que fornecem informação sobre a quantidade do transgene por comparação

com amostras de referência com concentrações conhecidas. A técnica permite identificar DNA

exógeno em uma quantidade de 0,1% (1 grama em 1 quilograma), mas algumas variantes

extremamente sensíveis reconhecem a presença de 0,001% do transgene.

Observe-se que, para aplicar estes testes, se precisa de informação sobre as sequências do

transgene. Uma forma de simplificá-los seria a inclusão em todas as construções genéticas de uma

sequência conhecida. Esta funcionaria como uma etiqueta molecular, facilitando a identificação de

qualquer transgene.

Por outro lado, nem sempre a PCR é informativa. Em amostras de grãos ou alimentos

processados, o DNA pode estar quase totalmente degradado. Nesse caso, é necessário saber quais as

transformações que o produto sofreu e estabelecer protocolos adequados. Existem métodos

imunológicos (Western Blot, ELISA) que permitem detectar a proteína sintetizada pelo transgene e

eventualmente estimar a quantidade presente. Contudo, o custo de todos esses testes é alto e será

pago pelo consumidor.

17. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE / AS VACINAS



AS DOENÇAS INFECCIOSAS

O cultivo de plantas e a domesticação de animais aumentaram a disponibilidade de alimentos e,

como consequência, a densidade das populações humanas e sua sedentarização. Essas condições

possibilitaram a passagem de germes dos animais domesticados ao homem, originando doenças

como a varíola, o sarampo e a gripe.

No século XIX, mais de 80% das crianças morriam de doença antes dos 10 anos de idade. Hoje,

na maioria dos países, elas estão protegidas por programas de vacinação sistemática que as

imunizam contra tuberculose, hepatite B, poliomielite, difteria, tétano, coqueluche, meningite,

sarampo, rubéola, caxumba e infecções por rotavírus e pneumococos.

Uma vacina é um produto destinado a estimular o sistema imune de maneira a prevenir ou

controlar uma infecção. A vacinação chega às crianças e aos grupos de pessoas sujeitos a maiores

riscos, como as mulheres (sarampo e rubéola), os maiores de 60 anos (gripe, pneumonias) e os

profissionais de saúde (hepatite B, antraz). Também resguarda os residentes em determinadas áreas

e os viajantes (febre amarela).

Por outro lado, a vacinação dos animais resulta duplamente eficiente, porque além de protegê-

los da doença, quebra o elo de transmissão ao homem. Pode-se dizer que nos duzentos anos que nos

separam de Jenner, o descobridor da primeira vacina antivariólica, temos alcançado o sucesso na

prevenção de um bom número de doenças infecciosas.

A melhora das condições econômicas de uma população repercute na saúde da mesma e,

inversamente, diminuindo a doença e suas sequelas de invalidez ou morte prematura, dá-se às

pessoas a possibilidade de melhorar suas condições de vida. O custo de implantação de um sistema

de vacinações é baixo, porque a proteção atinge não só a pessoa que as recebe como os que entram

em contato com ela.

Em uma variante do velho ditado “prevenir é melhor que curar”, segundo a WHO (Organização

Mundial da Saúde; do inglês, World Health Organization), o maior impacto na área de saúde se

consegue com água limpa e vacinas. Lamentavelmente, ainda morrem anualmente dois milhões de

crianças de doenças para as quais temos vacinas que não chegam até elas, devido aos conflitos

armados e à dificuldade de acesso aos centros de saúde. E ainda não temos vacinas para doenças

como o dengue, a malária ou para o HIV/AIDS.

A AQUISIÇÃO DE IMUNIDADE

Microrganismos infecciosos, suas moléculas e substâncias químicas são antígenos. Também podem

se comportar como antígenos as células de um organismo transplantadas a outro e materiais como o

pólen, pelos de animais e alguns alimentos nas pessoas sensibilizadas.

No primeiro contato com um antígeno estranho, o organismo reage com uma resposta

imunológica primária de intensidade baixa e curta duração, acompanhada de alguns sintomas como

febre, dor de cabeça, erupção cutânea. Essa primeira resposta está acompanhada da aquisição de

uma memória imunológica que facilitará a eliminação do antígeno estranho. A resposta secundária

envolve numerosas células e moléculas e se caracteriza por ser rápida, intensa e duradoura (Figura

17.1).


200

FIGURA 17.1. A resposta primária e secundária do organismo.

FIGURA 17.2. A memória imunológica.

Intensidade da

resposta imune

1 2 3 4 5 6 7 8

Primeiro contato com o patógeno

(antígeno)

Segundo contato com o patógeno

(antígeno)

Semanas

Linfócitos T citotóxicos Linfócitos T auxiliadores Linfócitos B

Antígeno

Detectado por células que ativam os diferentes tipos de linfócitos

Neutralizam ou marcam o antígeno dando início a sua eliminação

Síntese de anticorpos

Eliminam as células infectadas

Células de memória

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 17: Biotecnologia e saúde - Vacinas

201

OS DIFERENTES TIPOS DE VACINAS

Todo patógeno ou antígeno estranho que penetre no organismo é detectado pelo sistema imune. A

resposta ao antígeno envolve uma ação humoral e uma ação mediada por células, ambas

coordenadas por diversos componentes do sistema imunológico.

Essas duas formas de ação estão relacionadas com o tipo de ataque do patógeno: o

pneumococo se multiplica nos pulmões, o bacilo do tétano produz uma toxina letal, o bacilo de Koch

e todos os vírus parasitam as células.

No caso de uma bactéria ou de uma toxina, os anticorpos específicos produzidos pelos linfócitos

B reconhecem os microrganismos ou toxinas circulantes, dando início a sua destruição. Os vírus e

algumas bactérias demandam outro tipo de ação, porque, ao invadir as células, ficam protegidos dos

anticorpos. Ao expor na superfície celular uma combinação de suas proteínas com algumas proteínas

do invasor, a célula infectada será reconhecida e destruída pelos linfócitos T matadores (também

chamados Tc, do inglês T citotoxic).

Tanto a ação humoral como a ação mediada por células dependem da participação dos linfócitos

auxiliadores Ta, também chamados Th (do inglês, T helpers), capazes de reconhecer o antígeno e

produzir moléculas que estimulem a proliferação das células B e T.

Uma vez finalizada a resposta primária, algumas células de memória (B, T) permanecerão no

sistema. Deve-se à memória imunológica a aceleração dos mecanismos de defesa em ocasião de um

segundo contato com o antígeno (Figura 17.2).

Uma vacina é um produto destinado a treinar o sistema imune no reconhecimento de

determinado patógeno, de maneira tal que este não possa desencadear uma infecção ou uma

doença. As vacinas estimulam a imunidade humoral, a imunidade mediada por células ou,

preferentemente, ambas ao mesmo tempo.

A vacinação estabelece o primeiro contato do organismo com um patógeno que está

incapacitado para causar a doença, conservando sua identidade molecular e a capacidade de induzir

uma resposta imune. Ativam-se assim os mecanismos de defesa, em previsão de um segundo

contato, desta vez com o patógeno original.

A PRIMEIRA GERAÇÃO

As primeiras vacinas, também denominadas vacinas de primeira geração, são vacinas que incluem

patógenos vivos atenuados, patógenos mortos ou antígenos acelulares.

As vacinas de patógenos vivos atenuados

Nas vacinas de patógenos vivos, os microrganismos são atenuados mediante passagens sucessivas

em diversos meios de cultivo e/ou por tratamentos físicos em diferentes condições de temperatura,

pressão e pH. O procedimento permite selecionar mutantes que conservem a capacidade de induzir

uma resposta imune, apesar de ter perdido a patogenicidade.

Estas vacinas induzem uma resposta imune intensa e duradoura que envolve ambas as vias, a

humoral e a celular. Salvo em caso de imunização por via oral, basta uma única dose para obter a

imunidade desejada.

Apesar de mais eficientes, as vacinas de patógenos vivos atenuados apresentam alguns

inconvenientes. Além de serem inadequadas para as pessoas imunodeprimidas, existe o risco de uma

forma atenuada reverter para uma forma ativa. Outra desvantagem é a necessidade de manter uma

cadeia de frio para conservá-las refrigeradas.


202

Utilizam-se na prevenção de doenças de origem viral, como a febre amarela, o sarampo, a

rubéola, a caxumba e a poliomielite (Sabin ou OPV, do inglês oral polyomyelitevaccine). A vacina

contra a tuberculose é a única preparada com uma bactéria viva, o bacilo de Calmette-Guérin ou

BCG.

As vacinas de patógenos mortos e toxoides

Estas vacinas incluem microrganismos mortos ou toxinas inativadas (toxoides) por procedimentos

físicos ou químicos. Conferem uma resposta imune de tipo humoral pouco intensa ou duradoura,

pelo que se devem administrar várias doses e, mais tarde, manter a imunidade com doses de reforço.

Requerem, também, a introdução de substâncias coadjuvantes para estimular a resposta imune.

Apesar de ser estáveis e não depender da cadeia do frio, estas vacinas devem ser modificadas

frequentemente para se adaptar aos sorotipos microbianos patogênicos que são muito variáveis.

Além de vacinas de toxoides contra a difteria e o tétano, existem vacinas de microrganismos mortos

contra a cólera, a gripe, a hepatite A, a peste, a poliomielite (vacina Salk) e a raiva.

As vacinas de subunidades de antígenos

Nestas vacinas se colocam, em vez do microrganismo todo, só as frações da superfície celular

capazes de induzir a resposta imune. Demandam um longo trabalho de pesquisa prévia para

determinar quais os melhores antígenos (subunidades) que deverão ser incluídos na vacina e

precisam de substâncias coadjuvantes para estimular a imunidade.

Por não levar mais que fragmentos do microrganismo, estas vacinas não apresentam os riscos

das vacinas de microrganismos vivos e independem da cadeia do frio. Existem vacinas de

subunidades contra a influenza ou gripe, a doença de Lyme, a hepatite B, a coqueluche e a

pneumonia.

A SEGUNDA GERAÇÃO

A engenharia genética revolucionou o campo das vacinas de primeira geração, substituindo muitas

delas por outras que envolvem modificações do genoma. A inativação dos microrganismos por

deleção de genes relacionados com determinados processos metabólicos básicos, por exemplo, é

uma forma mais segura de impedir a reversão a uma forma ativa.

FIGURA 17.3. A utilização da tecnologia do DNA-recombinante na vacina contra a hepatite B.

Vírus HBV Gene codificador do antígeno de superfície HBsAg

Levedura transformada

Síntese do antígeno

Vacina

Levedura


203

As vacinas recombinantes

A tecnologia do DNA-recombinante deu também um grande impulso à produção de vacinas de

subunidades ao possibilitar a produção do antígeno por um microrganismo transformado que possa

ser cultivado sem riscos em um fermentador (Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Picchia

pastoris).

O primeiro êxito alcançado foi com a vacina contra a hepatite B (Figura 17.3). Encontra-se em

fase experimental uma vacina contra o HIV/AIDS, assim como outra contra a malária. Contudo, as

vacinas de subunidades recombinantes estão limitadas à produção de antígenos de tipo proteico.

As vacinas conjugadas

Alguns microrganismos (pneumococos, meningococos) se protegem com uma cápsula de

polissacarídeos que dificulta sua identificação pelo sistema imune ainda imaturo de uma criança. As

novas tecnologias possibilitaram a associação de um toxoide às subunidades de polissacarídeo, de

maneira a estimular a resposta imune e o reconhecimento dos antígenos capsulares.

Estas vacinas de antígenos conjugados são utilizadas na imunização contra o Haemophilus

influenzae B (meningite) e o Streptococcus pneumoniae ou pneumococo. As vacinas contra este

último são modificadas frequentemente, adicionando outros antígenos capsulares das mais de 80

linhagens que causam pneumonia em seres humanos.

As vacinas vetorizadas

Outro tipo interessante de vacinas são as vectorizadas, em que o gene codificador do antígeno é

transferido a um microrganismo inócuo (bactéria ou vírus). Ao infetar o hospedeiro, o vetor se

multiplica e começa a produzir o antígeno, induzindo a resposta imune contra o patógeno. Com uma

vacina deste tipo imunizam-se as raposas, atualmente um dos principais elos na transmissão de raiva

na Europa.

Em um segundo tipo de vacinas vetorizadas, o vetor não se multiplica no hospedeiro, agindo

como seringa molecular para introduzir, na célula, o gene codificador do antígeno. Um vetor deste

tipo, por exemplo, é o canarypox, que se multiplica em aves, exclusivamente. As vacinas vetorizadas

se encontram em fase experimental, não havendo ainda nenhuma aprovada para uso humano.

A TERCEIRA GERAÇÃO

A tecnologia mais promissora parece ser a das vacinas genéticas, também denominadas vacinas de

DNA nu. Estas consistem de um vetor de expressão com uma construção gênica que inclui o gene

codificador do antígeno. Injetado diretamente no músculo, o DNA irá penetrar nas células

apresentadoras de antígeno (células dendríticas). Estas migrarão até os órgãos linfoides, onde

sintetizarão o antígeno, estimulando uma resposta imune de tipo celular que permitirá imunizar o

organismo hospedeiro.

Esta tecnologia deve resolver vários problemas adicionais. Como proteger o DNA, para que não

seja degradado ao ser fagocitado pela célula apresentadora do antígeno? Como aplicar a vacina, por

biolística ou eletroporação? Como limitar a expressão do gene transfectado às células

apresentadoras do antígeno dos tecidos? Persistem ainda algumas dúvidas em relação ao risco do

DNA se integrar no genoma da célula transfectada, ativando oncogenes ou desativando genes

supressores de tumor.


204

Esta tecnologia terá uma vantagem fundamental por ser um método genérico que facilita o

desenvolvimento e produção de novas vacinas (Figura 17.4). Estas poderão ser elaboradas

substituindo um gene por outro no cassete de expressão gênica, o que diminuiria os custos e o

tempo necessário para responder a uma emergência sanitária. Também se poderia conseguir uma

supervacina com vários genes codificadores de antígenos, capaz de imunizar o organismo contra

várias doenças simultaneamente. Por outro lado, as vacinas de DNA estimulam ambas as respostas,

humoral e mediada por células.

Na área veterinária, já foram aprovadas nos Estados Unidos uma vacina de DNA contra o vírus

IHNV, causante da necrose hematopoiética em trutas e salmões, e outra contra o vírus do oeste do

Nilo, que ataca os equinos. Na área humana, ainda em fase experimental ou em testes clínicos, se

encontram em andamento várias vacinas deste tipo contra HIV/AIDS, malária, herpes, tuberculose,

hepatite B, influenza, rotavírus etc.

FIGURA 17.4. Os diferentes tipos de vacinas virais.

V. patogénico V. relacionado V. atenuado V. morto Subunidades Recombinante

Tipos de vacinas

Transfecção

Linfócitos B e T

Imunidade adquirida (artificial)

Imunidade adquirida

(espontânea)

Doença e recuperação


205

A PRODUÇÃO DE VACINAS

PESQUISA E DESENVOLVIMENTO

Antes de comercializar uma vacina, existem certas etapas que devem ser cumpridas. A primeira,

exploratória e pré-clínica, tem uma duração de 3 a 6 anos e se inicia nas bancadas de laboratório com

experimentos que utilizam cultivos de células ou de tecidos. Estes estudos permitem selecionar o

melhor candidato vacinal. Sua capacidade de imunizar um ser vivo é comprovada em diversos testes

com animais de laboratório (camundongos, cobaias ou macacos). Se os resultados forem

satisfatórios, o candidato vacinal poderá passar a uma etapa clínica e ser testado em seres humanos.

Os estudos clínicos se iniciam em um grupo de 10 a 100 voluntários adultos, monitorados bem

de perto, a fim de verificar a ausência de toxicidade do candidato vacinal e sua capacidade de

imunizar um ser humano. Na segunda fase, que inclui de 100 a 3.000 pessoas da população alvo, os

testes focalizam as dosagens necessárias para a imunização. A terceira fase, que envolve de 3.000 a

40.000 pessoas, visa comprovar a eficiência do candidato vacinal em proteger os indivíduos

vacinados contra a doença. Nesta fase, compara-se a redução da incidência da doença em uma

população vacinada em relação a uma população não vacinada. Também são identificados os efeitos

adversos. A duração total dos estudos clínicos é de 6 a 8 anos para as vacinas humanas.

As pesquisas com seres humanos e, por conseguinte, todos os testes clínicos, devem ser

desenvolvidos dentro do marco ético elaborado pelo tribunal de Nuremberg, por ocasião do

julgamento de vinte médicos condenados como criminosos de guerra, devido aos brutais

experimentos realizados com prisioneiros durante a Segunda Guerra Mundial.

Segundo o Código de Nuremberg (1949), os experimentos em seres humanos devem visar o

bem da sociedade e serem levados a cabo por pessoas cientificamente qualificadas. Os participantes

receberão todas as explicações necessárias antes de dar livremente o seu consentimento. As

experiências serão a continuação de outras que, realizadas em modelos animais, permitam prever

um resultado tal que justifique a inclusão de testes em seres humanos. O sofrimento mental e físico

será evitado, e as pessoas receberão proteção em caso de ocorrer algum efeito adverso.

Nos testes clínicos de avaliação de uma nova vacina participam voluntariamente pessoas que

são informadas sobre os riscos e benefícios de sua participação. Contudo, há algumas dúvidas sobre

a validação do consentimento informado quando os testes são realizados em populações de escassos

recursos, com baixos níveis de instrução.

Se os resultados dos estudos clínicos não forem satisfatórios, será necessária a realização de

estudos adicionais, chegando, eventualmente, a interromper os estudos clínicos e proceder à escolha

de outro candidato vacinal. Contudo, uma vez comprovado que a vacina é segura e eficiente, a

indústria farmacêutica poderá solicitar aos órgãos competentes a licença para comercializar o

produto. Esta etapa dura de 12 a 18 meses.

A liberação da vacina marca o início do processo de manufatura e da fase de vigilância

farmacológica, um monitoramento amplo e rigoroso que coleta toda informação sobre algum efeito

adverso que possa ocorrer. Em 1999, por exemplo, uma primeira vacina contra o rotavírus teve que

ser retirada do mercado em consequência de alguns casos de intususcepção relacionados com sua

aplicação e identificados nesta etapa, a quarta dos estudos clínicos.

Atualmente, vários testes clínicos em seres humanos estão sendo realizados com vacinas contra

diferentes doenças, tais como HIV/AIDS, malária, dengue, cólera etc.

As vacinas veterinárias passam pelas mesmas etapas, mas as exigências são menores. É possível

simplificar os testes com animais de laboratório e testar o candidato vacinal no animal para o qual é

destinado o produto. O número de indivíduos necessários para os testes clínicos também é menor.


206

ASPECTOS TECNOLÓGICOS

A produção de vacinas é uma tarefa delicada, e todos os cuidados devem ser extremados. Cada lote

da vacina deve passar por controles estritos a fim de garantir a qualidade e manter a credibilidade

não só da indústria, mas da própria vacinação.

A vacina Salk contra a poliomielite, preparada com vírus inativados, é aplicada correntemente

em vários países, sendo considerada hoje uma das vacinas mais seguras. Porém, em 1954, duas

semanas depois de liberada, esta induziu 260 casos de pólio, inclusive 10 mortes. O acidente, devido

à inativação incompleta de algumas partículas virais, resultou de um problema na fabricação da

vacina no Laboratório Cutter (Estados Unidos).

Uma vacina deve reunir várias qualidades, principalmente eficiência, pureza, segurança e baixo

custo. O processo industrial varia em função do microrganismo utilizado para a produção de uma

vacina, e responde a critérios estritos de qualidade (BPL ou Boas Práticas de Laboratório; BPF ou Boas

Práticas de Fabricação). Atualmente, o controle de qualidade ocupa 70% do tempo dedicado à

produção de uma vacina.

As bactérias se multiplicam em biorreatores, cujo volume dependerá da produtividade do

próprio processo fermentativo e das concentrações obtidas (bactérias, antígenos ou toxinas), assim

como do tratamento posterior para a obtenção de antígenos ou de toxoides.

Os vírus, parasitas obrigatórios, precisam de células para se multiplicar. Tradicionalmente,

utilizam-se a pele de bezerro e os ovos de galinha, mas a tendência é serem substituídos por culturas

celulares, possibilitando o desenvolvimento de vacinas virais para uso humano (poliomielite,

sarampo, rubéola, influenza, caxumba, raiva) e veterinário (febre aftosa, raiva, encefalite equina,

doença de Mareck e de Newcastle etc.). Do ponto de vista tecnológico, as mais complicadas são as

vacinas combinadas.

Vacinas antibacterianas podem ser preparadas em grandes quantidades, com equipamento

relativamente simples, enquanto as virais precisam de aparelhos sofisticados e, em muitos casos, de

um laboratório de cultura de tecidos. As proteínas recombinantes de vírus ou bactérias são

produzidas em biorreatores (leveduras) ou em cultivos celulares. Ao processo de extração seguem-se

várias operações de purificação por técnicas complexas (ultrafiltração, cromatografia em coluna).

Além do antígeno, na formulação de uma vacina incluem-se outras substâncias: os adjuvantes

permitem dosagens menores por serem capazes de estimular a resposta imune, os estabilizantes

impedem as alterações devidas ao calor, à luz ou à umidade, os preservantes conservam os frascos

com múltiplas doses.

Uma das tendências atuais na administração de vacinas é reduzir o número de doses mediante a

imunização simultânea para várias doenças em uma mesma injeção (tríplice viral ou tríplice

bacteriana). Também se dá preferência a sistemas que diminuam a necessidade de refrigeração, já

que esta contribui com 15% dos custos dos programas de vacinação.

Outras novidades virão da procura de novas formas de aplicação que substituam o uso de

seringas, tais como pistolas, géis, adesivos cutâneos, cápsulas, tabletes, inaladores e sprays nasais.

Estes últimos começaram a ser utilizados na aplicação de vacinas contra a gripe (FluMist, nos Estados

Unidos; NasVax, em Israel). As vacinas orais têm importantes aplicações na área veterinária.

Plantas e animais transgênicos produtores de antígenos poderão revolucionar alguns aspectos

da produção de vacinas. A ideia de ter vacinas “comestíveis” e de poder vacinar as crianças com uma

banana em vez de uma injeção é muito sedutora. Contudo, alguns problemas de segurança exigem

atenção, como, por exemplo, o risco de se misturar bananas-vacina e bananas-alimento,

contaminando os alimentos ou dificultando o reconhecimento de um medicamento como tal.

Provavelmente, os antígenos serão extraídos e administrados em tabletes ou cápsulas.


207

Em 2005, Dow AgroSciences registrou nos Estados Unidos uma vacina para a doença de

Newcastle em aves, produzida na planta aquática Lemna. Encontra-se em andamento uma nova

vacina contra a febre amarela em plantas de tabaco hidropônicas, pela Fundação Oswaldo Cruz

(Fiocruz) em parceria com instituições dos Estados Unidos.

ASPECTOS ECONÔMICOS

A produção de vacinas é uma atividade menos rentável que a produção de medicamentos. Contudo,

a chegada das novas tecnologias com base biológica despertou novamente o interesse do setor

farmacêutico. Atualmente, cinco grandes empresas (Sanofi-Pasteur, Merck, GlaxoSmithKline, Wyeth

e Novartis) concentram de 80% a 90% do mercado global de vacinas humanas, estimado em US$ 25

bilhões em 2015. O resto está ocupado por 200 a 250 empresas que desenvolvem mais de 600

produtos.

O processo de desenvolvimento de uma nova vacina leva de 14 a 25 anos, a um custo que pode

variar entre US$ 300 milhões e US$ 1 bilhão. Alguns produtos, como a vacina antimeningococo

Prevnar, atingiram níveis de vendas que superam o bilhão de dólares.

Estima-se que o mercado aumentará significativamente nos próximos anos, em função do

crescimento do setor adulto e especialmente das vacinas terapêuticas, que serão analisadas no

Capítulo 20. Também aquecerão o mercado produtos novos, tais como as vacinas para a gripe

(influenza) e as vacinas que protejam o turista (febre amarela) ou diminuam o abuso de drogas

(nicotina).

Em meio a numerosas crises econômicas, vários países latino-americanos (Argentina, Chile, por

exemplo) descuidaram de suas estruturas científicas e tecnológicas e passaram a importar as vacinas

necessárias para a população. No entanto, e por diferentes motivos, depois de várias décadas de

retração na área de produção de vacinas, esta começa a ser considerada novamente uma área

estratégica.

Para os países em desenvolvimento, o estímulo à produção nacional de vacinas é fundamental

como parte das obrigações frente a sua população e, em termos de saúde pública, para manter sua

independência nesta área. Trata-se de um setor que não pode ser negligenciado, observando-se

indícios sólidos de mobilização para recompor as estruturas produtivas.

Alguns países, como Brasil, China e Índia, contam com instituições de pesquisa e

desenvolvimento para a produção de imunobiológicos, sendo frequentes as parcerias com as

grandes empresas farmacêuticas. Fundações privadas, como a Bill & Melinda Gates Foundation,

fornecem fundos em prol de melhores e novas vacinas que protejam as crianças das doenças. Para

organizações internacionais como a WHO (World Health Organization), a vacina é a mais simples das

medidas preventivas possíveis na área de saúde.

Nos próximos anos, haverá progressos na preparação das vacinas preventivas e no

desenvolvimento de produtos novos, como as vacinas terapêuticas para alguns tipos de câncer ou a

doença de Alzheimer. Entretanto, esperam-se vacinas novas ou melhores contra as doenças que

afetam um número altíssimo de pessoas, tais como HIV/AIDS, malária, dengue e tuberculose.

UM SETOR ESTRATÉGICO PARA A SOCIEDADE

No Brasil, onde existe uma tradição de um século na produção de imunobiológicos (vacinas, soros,

hemoderivados e reativos para diagnóstico), as vendas chegam a US$ 600 milhões por ano, o que

representa 3% do mercado da indústria farmacêutica.


208

TABELA 17.1. As principais instituições produtoras de vacinas no Brasil.

INSTITUIÇÃO VACINAS

Instituto Butantan

Dupla, Infantil (difteria e tétano)

Dupla, Adulto (difteria e tétano)

Tríplice (difteria, tétano e coqueluche ou pertussis)

Hepatite B recombinante

Influenza

Laboratório BioManguinhos

Poliomielite

Tríplice viral (sarampo, caxumba e rubéola)

Meningites meningocócicas (A/C, por Haemophilus influenzae, HIB e HIB/DTP)

Febre amarela

Tecpar Antirrábica de uso veterinário e humano (PV-BHK)

Fundação Ataulfo de Paiva Antituberculose (BCG)

Até a década de 1960, muitas vacinas humanas e veterinárias eram fabricadas no país. A perda da

autossuficiência criou uma situação crítica quando, em inícios da década de 1980, uma multinacional

retirou-se do mercado, deixando a população em risco de ficar sem vacina tríplice, soros antitóxicos

e antiofídicos. Evidenciou-se nessa ocasião que a produção de vacinas é um setor estratégico, ao qual

a sociedade deve ter o acesso garantido.

O Programa de Autossuficiência Nacional de Imunobiológicos (PASNI) de 1985 reverteu essa

situação mediante uma estratégia de substituição das importações que estimulou a modernização

das instalações e a incorporação de novas tecnologias nos sete laboratórios oficiais: Instituto de

Tecnologia em Imunobiológicos (Biomanguinhos, Fiocruz, RJ), Instituto Vital Brazil (IVB,RJ), Instituto

de Tecnologia do Paraná (Tecpar, PR), Fundação Ezequiel Dias (Funed, MG), Fundação Ataulfo de

Paiva (FAP,RJ) e Instituto de Pesquisas Biológicas (IPB, RS). Atualmente, o Instituto Butantan (SP) e

BioManguinhos (RJ) produzem 11 tipos de vacinas e respondem por 70% das vacinas distribuídas

pelo serviço público (Tabela 17.1).

Várias vacinas estão sendo desenvolvidas nas próprias instituições citadas anteriormente, e

também em parcerias entre elas ou com laboratórios estrangeiros (Sanofi Pasteur, GlaxoSmithKline,

Instituto Finlay etc.). Algumas das vacinas resultantes desses convênios protegem a população de

sarampo, caxumba e rubéola (tríplice viral), influenza, rotavírus, raiva (cultivo do vírus em células

Vero) etc.

Os diferentes acordos de cooperação internacional entre os países latino-americanos também

terão uma importância fundamental para o desenvolvimento de políticas de saúde pública que

garantam à população o acesso às vacinas.

O ROL DAS VACINAS NA ERRADICAÇÃO DA DOENÇA

De um modo geral, as vacinas protegem de 80% a 95% das pessoas imunizadas, e os efeitos adversos

que elas podem apresentar ocorrem em frequências muito baixas. O calendário de imunizações

depende das autoridades nacionais e, em vários países, a vacinação não é obrigatória.

O impacto das vacinas na morbidade infantil relega ao passado algumas das temíveis doenças

que assolaram o século XX (difteria, coqueluche ou pertussis, tétano, poliomielite, meningite,

caxumba, sarampo e rubéola). Estima-se que a cooperação entre a indústria, os governos e as

entidades não lucrativas poderia salvar 10 milhões de vidas entre 2010 e 2020.


209

Lamentavelmente, em algumas comunidades subsiste ainda a resistência às vacinas, seja por

motivos culturais, religiosos ou políticos. Intromissão na liberdade individual, desafio à vontade

divina, degradação dos costumes ou interferência no desenvolvimento nacional são alguns dos

argumentos utilizados.

As vacinas têm se mostrado eficientes na erradicação mundial da varíola e na eliminação da

poliomielite, pelo menos em vários países. Em relação à gripe, ainda não existe uma vacina capaz de

estimular a imunidade para as diversas linhagens. Contudo, dispomos hoje de vacinas para

numerosas doenças que afetaram a humanidade durante séculos.

O CASO DA VARÍOLA

A varíola é uma doença eruptiva contagiosa transmitida por um vírus. A incubação dura de 7 a 17

dias; os sintomas principais são febre alta, fadiga e uma erupção de vesículas em todo o corpo. A

mortandade é de 30%, e os sobreviventes conservam lesões características.

A varíola teria sido levada até a Índia por mercadores do Egito, onde vitimara o faraó Ramsés V.

A doença se alastrou até a China (século I) e o Japão (século VI), retornando mais tarde ao Oriente

Médio e alcançando a Europa com os Cruzados (século XI-XII). A varíola não fazia distinção entre

camponeses, burgueses ou nobres, cobrando vidas de humildes e poderosos, como o rei da França

Luis XV.

Quem adoece uma vez e se recupera, não adoece uma segunda vez. Esta observação deu lugar à

primeira tecnologia para combater a varíola. No Oriente (Índia e China, século XI), as pessoas eram

inoculadas com pus das vesículas de doentes com uma forma benigna da doença. Ao desenvolver

também uma doença benigna, as pessoas inoculadas permaneciam protegidas pelo resto de suas

vidas. Apesar de 1% a 2% de essas pessoas terem morrido ao desenvolver a doença em sua forma

mais grave, a varíola regrediu entre os povos que praticavam a variolização.

Em 1520, com a chegada ao México de um escravo contaminado, a varíola entrou no continente

americano. Por ter convivido com a doença durante vários séculos, os europeus tinham desenvolvido

alguma forma de resistência, mas, para as populações ameríndias, o contato com um germe novo

levou ao extermínio de 95% de sua população em menos de duzentos anos.

A prática da variolização foi introduzida na Inglaterra no início do século XVIII. Anos mais tarde,

um inoculador, o médico Edward Jenner, observou que as ordenhadeiras nunca desenvolviam a

varíola. Segundo uma crença popular, essa resistência era consequência da contaminação com uma

doença inofensiva que se manifesta por pústulas no úbere das vacas.

Em 1796, quando Jenner inoculou a varíola vacum em uma criança e, poucos dias mais tarde, a

varíola humana, a criança não adoeceu. A partir desta experiência, surge o método de vacinação que

se estendeu rapidamente por toda Europa.

No Brasil, a vacinação foi introduzida em 1840 pelo Barão de Barbacena. Porém, quando, em

1904, sendo Oswaldo Cruz o Diretor Geral de Saúde Pública, o governo decretou a vacinação

obrigatória, a resistência se manifestou no Rio de Janeiro sob a forma de motins, estourando uma

revolta que obrigou o governo a rever a medida. Em 1908, depois de uma violenta epidemia de

varíola (10.000 casos diagnosticados), a população terminou aceitando a vacinação.

Apesar dos surtos terem se espaçado, calcula-se que, no século XX, 300 milhões de pessoas

morreram de varíola. Na década de 1970, a Organização Mundial da Saúde substituiu a vacinação em

massa por uma campanha de erradicação em anel.

A estratégia consiste em isolar os pacientes cada vez que um caso novo é detectado e vacinar

rapidamente todas as pessoas que tiveram algum contato com o doente. Como a vacina tem um

efeito muito rápido, os resultados foram extraordinários. Contudo, por ocasião de um surto havido


210

na Iugoslávia (1972) foi necessário complementar as medidas com uma vacinação em massa. O

último caso de varíola ocorreu na Somália em 1977.

Em 1978, o escapamento do vírus de um laboratório da Universidade de Birmingham (Reino

Unido) causou a morte de duas pessoas. Com a confirmação da erradicação da varíola em 1979, o

vírus da varíola começou a ser eliminado dos laboratórios. Dois estoques virais foram conservados

preventivamente, um deles no CDC (Center for Disease Control and Prevention, Atlanta, Estados

Unidos) e no VECTRO (Instituto para Preparações Virais, Moscou, Rússia). Apesar de estar prevista

sua destruição no ano 2000, esta não ocorreu.

A mera possibilidade de um ato de terrorismo é assustadora. Não se pode afirmar que não

existe algum estoque de vírus em outro lugar. Em caso de um surto, os médicos teriam dificuldades

em diagnosticar uma doença restrita aos livros. A população deixou de ser vacinada em fins da

década de 1970, de modo que uma boa parte da população nunca foi imunizada. Sem doses de

reforço, o restante pode ter perdido a imunidade. A validade de um pequeno estoque de vacinas que

sobrou de décadas atrás está comprometida. Existem contraindicações para a aplicação da vacina em

pessoas com eczemas ou imunodeprimidas, que hoje são muito mais frequentes que no início do

século XX.

Mesmo tendo erradicado a varíola, precisamos de vacinas antivariólicas eficientes e seguras,

formuladas mediante as novas tecnologias. Algumas já se encontram na fase dos estudos clínicos.

O CASO DA POLIOMIELITE

A poliomielite ou paralisia infantil é uma doença causada por um enterovírus que se transmite pela

água. O período de incubação é de 4 a 35 dias, e 10% das pessoas infectadas desenvolvem os

seguintes sintomas: febre, fadiga, dor de cabeça, vômitos, constipação ou diarreia, rigidez na nuca e

dor nas extremidades.

Em aproximadamente 1% dos casos, o vírus da poliomielite passa do intestino para a corrente

sanguínea e invade o sistema nervoso central, onde se multiplica destruindo os neurônios motores e

causando a paralisia das extremidades. Estas pessoas desenvolvem a forma paralítica da doença, e,

nos casos em que o vírus se aloja no bulbo, os pacientes precisam de ajuda mecânica para respirar. A

doença pode deixar sequelas motoras permanentes (SPP ou síndrome post-pólio).

Apesar de haver evidências da doença no Antigo Egito, os primeiros surtos epidêmicos

ocorreram a fins do século XIX. Em 1908, depois de inocular macacos com o tecido nervoso de um

paciente morto, K. Landsteiner confirmou que a poliomielite é uma doença infecciosa.

Na primeira metade do século XX, as epidemias de poliomielite deixaram numerosas vítimas,

principalmente entre as crianças, mas também entre os adultos como, por exemplo, Franklin Delano

Roosevelt, presidente dos Estados Unidos.

Suspeita-se que as melhores condições higiênicas do século XX diminuíram o contato prematuro

da população com o vírus. Porém, a exposição na idade escolar de um grupo vulnerável ao vírus teria

favorecido a aparição de surtos. Na década de 1950, a doença era aterradora. Havendo um surto, as

escolas fechavam e as crianças eram privadas do contato entre elas, permanecendo isoladas até o

perigo passar. A notícia de uma vacina teve uma repercussão extraordinária.

Em 1954 começou a ser aplicada a vacina de vírus inativados de Jonas Salk (IPV, do inglês,

injetable polio vaccine), que era elaborada com três tipos de poliovírus em rim de macaco,

inativando-o posteriormente com formalina. Em 1963, houve uma segunda opção, a vacina de vírus

atenuados de Albert Sabin (OPV, do inglês oral polio vaccine). Nos anos posteriores, devido a

modificações nos processos produtivos, a eficiência de ambas as vacinas aumentou

significativamente.


211

Ambas apresentam vantagens e desvantagens. Para ser aplicada, a IPV demanda agulhas e

seringas estéreis, um procedimento mais caro e complicado que a ingestão por gotas da OPV. Em

contrapartida, por ser uma vacina de vírus atenuados, a OPV exige a manutenção da cadeia de frio, o

que a IPV dispensa.

Do ponto de vista da eficiência, a OPV confere uma imunidade mais ampla porque abrange a

mucosa digestiva, impedindo a entrada do vírus selvagem no organismo e a infecção das células

nervosas. Porém, como o vírus atenuado é eliminado nas fezes e permanece no ambiente, a OPV

acaba por atingir outras pessoas, afetando os não vacinados e os imunodeprimidos presentes no

entorno. Por isso, alguns países preferem a IPV e outros a OPV.

Novas vacinas estão sendo pesquisadas como, por exemplo, uma de tipo recombinante que leva

o gene codificador de uma proteína do capsídeo viral, inserido em Escherichia coli. A síntese dessa

proteína por uma bactéria, que coloniza normalmente o intestino, possibilitaria a imunização do

hospedeiro.

Apesar do sucesso alcançado pela vacinação, a erradicação da doença parece ser bem mais

difícil do que o esperado. A pólio subsiste ainda em algumas regiões da África, do subcontinente

indiano e do extremo Oriente, onde as campanhas de vacinação são complexas e muitas vezes

interrompidas por conflitos bélicos.

Um surto da doença atingiu um grupo que se opõe à vacinação por motivos religiosos,

mostrando que o vírus selvagem continua presente no ambiente (Países Baixos, 1992-1993). Em

2000, a pólio reapareceu no Haiti e na República Dominicana. Na ocasião, revelou-se que o vírus

atenuado pode reverter a sua forma patogênica, e que, mesmo tendo desaparecido a doença, a

vacinação terá que ser mantida. Em 2004, com a aparição de um novo surto de pólio em países do

oeste africano, confirmou-se que o objetivo ainda se encontra distante.

O CASO DA INFLUENZA

A influenza ou gripe é uma doença causada pelo vírus da influenza e apresenta os seguintes

sintomas: febre, dores musculares, garganta inflamada, fadiga e dor de cabeça.

O material genético do vírus é RNA, que está rodeado por um capsídeo proteico e um envelope

derivado da membrana celular do hospedeiro. O RNA confere a seu portador uma enorme

variabilidade porque, diferente do DNA, os erros de replicação não são reparados por nenhum

mecanismo celular.

Em função das proteínas do capsídeo, os vírus da influenza são classificados em três categorias

(A, B e C). As variantes de duas proteínas do envelope, a hemaglutinina (HA) e a neuraminidase (NA)

determinam os diferentes subtipos como, por exemplo, H1N1, H5N1 etc.

Os vírus da influenza da categoria A são os mais perigosos porque se multiplicam tanto no

homem como em outras espécies (aves, suínos, cachorros, cavalos). Ao pular de uma espécie a outra,

o material genético de diferente origem recombina formando vírus com características novas. Para

desencadear uma pandemia é necessário que esse vírus infecte o homem e sofra uma mutação que

possibilite a transmissão pessoa a pessoa.

Ao longo do século XX, várias pandemias de gripe assolaram a terra. Em 1918, um surto de gripe

sobreveio na Espanha, de onde se espalhou pelo mundo todo causando a morte de 40 a 70 milhões

de pessoas. O vírus H1N1 da gripe espanhola circulou durante várias décadas, embora tenha perdido

parte de sua patogenicidade a partir de 1920.

Em 1957, uma segunda pandemia originou-se na China. A gripe asiática, devida ao subtipo

H2N2, causou a morte de 2 milhões de pessoas. Poucos anos mais tarde, em 1968, o subtipo H3N2

apareceu em Hong Kong e alastrou-se pelo mundo, deixando 47.000 mortos.


212

A gripe aviária (subtipo H5N1) surgiu na Ásia, em 1997. Embora a transmissão tenha sempre

ocorrido no sentido ave-ave e ave-homem, milhares de aves foram sacrificadas durante os surtos de

2003 e 2004 devido ao temor de uma mutação que possibilitasse a transmissão do homem ao

homem.

O H5N1 traz uma limitação em relação aos métodos tradicionais de produção de vacinas, já que

estes utilizam embriões de frango. Selecionando a informação genética relevante do vírus e

transferindo-a para um vírus de laboratório obtém-se um protótipo viral para a produção da vacina.

Este reúne a informação para estimular a resposta imune ao H5N1 e pode crescer em embriões de

frango.

A gripe A (subtipo H1N1) ou gripe suína apareceu no México em 2009. Diferentemente das

variantes anteriores, esta causou mais vítimas entre os jovens e as mulheres grávidas. A resistência

dos mais velhos pode ser explicada por um contato prévio com vírus de tipo H1N1 que circularam

por um tempo na população.

A existência de medicamentos antivirais contribuiu para o controle da pandemia. Contudo, a

rápida mobilização das autoridades nacionais e internacionais, assim como das empresas

farmacêuticas, foi decisiva para a obtenção de uma vacina adequada.

Durante esta última pandemia, algumas fraquezas foram expostas. Uma delas é a dificuldade de

produzir rapidamente uma vacina em ovos embrionados, porque se estima que sejam necessários

900 milhões para obter 300 milhões de doses da vacina. Em caso de urgência, a produção em cultivos

celulares resultaria mais rápida.

Mutação do RNA e recombinação de RNAs de diferente origem são as duas estratégias que

explicam a enorme variabilidade do vírus da influenza e justificam a necessidade de mudar

continuamente os antígenos da vacina. O candidato vacinal de hoje pode ser inócuo amanhã, sendo

difícil prever contra quais antígenos do vírus dirigir a vacina. Por isso, as vacinas contra a gripe são

preparadas anualmente, escolhendo as linhagens que se supõe causarão a próxima epidemia.

A AMEAÇA DAS DOENÇAS EMERGENTES

À medida que eliminamos ou controlamos doenças, outras novas emergem e algumas das antigas

reaparecem. Os microrganismos adquirem resistência aos medicamentos e a destruição de habitats

naturais deixa o homem a mercê de agentes infecciosos com os quais não teve contato prévio. O

crescimento da população, as mudanças climáticas, o incremento das viagens internacionais e do

comércio, assim como as mudanças comportamentais, são outros fatores determinantes para a

dispersão de agentes infecciosos.

A gripe espanhola, a hepatite B, as febres hemorrágicas (Junin, Lassa, Marburg, Ebola etc.), a

doença de Lyme, a doença dos Legionários, a AIDS (do inglês, agude immunodeficiency sindrome), a

Escherichia coli 0157:H7 contaminante dos alimentos, o vírus do Nilo ocidental, a BSE (encefalopatia

espongiforme bovina) e a dengue são alguns dos exemplos de doenças emergentes.

Várias dessas doenças contam com testes diagnósticos, e, para algumas, já temos vacinas

(hepatite B, doença de Lyme). Mas, desde a descrição ou a identificação do patógeno

correspondente até a produção de uma vacina, passa um tempo considerável.

Por enquanto, a mais insidiosa talvez seja a HIV/AIDS, porque destrói a capacidade do sistema

imune de responder a infecções oportunistas. Os primeiros casos apareceram em 1981 e se

estenderam rapidamente pela população. Estima-se que 3,1 milhões de pessoas morreram e que 5

milhões foram contaminadas em 2002, chegando ao total de 42 milhões de pessoas atingidas.

Aproximadamente 90% das novas contaminações ocorrem nos países em desenvolvimento,

especialmente o sul da África e a Ásia. No rasto da HIV/AIDS (e da adição a drogas injetáveis), a

tuberculose reaparece com germes resistentes aos medicamentos.


213

Apesar das medidas preventivas e dos grandes progressos alcançados no tratamento da

HIV/AIDS, o ideal seria encontrar uma vacina. As dificuldades são enormes porque, para ativar a

resposta imune, devem-se ativar as células T auxiliadoras que a coordenam, e são justamente estas

as que o vírus destrói. Como geralmente o vírus penetra no organismo por via anal ou vaginal,

permanecendo um tempo na corrente sanguínea antes de invadir as células, a vacina deveria

estimular ambas as vias, a humoral e a celular, e se estender às mucosas.

Na luta contra o HIV/AIDS, diversas estratégias são possíveis; uma delas seria impedir a invasão

do organismo pelo vírus, a outra, ajudar o organismo a impedir a progressão e/ou a transmissão da

doença. A falta de um modelo animal adequado e as frequentes mutações do vírus complicam a

tarefa. Embora os resultados obtidos até agora tenham sido decepcionantes, estão sendo realizados

os estudos clínicos correspondentes a vacinas de subunidades, de vetores virais recombinantes e de

DNA. Talvez nos encontremos um pouco mais perto de controlar a doença.

A primeira epidemia emergente do século XXI é a SARS (do inglês, severe acute respiratory

sindrome), uma doença de origem viral que apareceu na China (2003). Transmitida pelo ar, a SARS

disseminou-se rapidamente por 30 países, matando 10% a 15% das pessoas afetadas.

Diferente dos vírus da pneumonia ou da influenza, o agente infeccioso da SARS é uma linhagem

patogênica de coronavírus. Completado rapidamente o sequenciamento genético, este pareceria ser

o resultado de uma recombinação ocorrida naturalmente entre um vírus de ave e outro de

camundongo. Espera-se que o progresso tecnológico permita obter uma vacina rapidamente.

O BIOTERRORISMO

Esporos disseminados pelos correios causaram um surto de antraz, logo depois do atentado às torres

do World Trade Center (Estados Unidos, setembro de 2001), alertando o mundo sobre a ameaça de

bioterrorismo.

Não foi a primeira vez que as armas biológicas foram utilizadas. Os romanos usavam animais

mortos para infectar os poços de seus inimigos. Na América (do Sul e do Norte) os colonizadores

exterminaram tribos indígenas com cobertores contaminados deixados como presente.

Antes de levantar o sítio à cidadela de Kaffa (Crimeia, 1346), o exército tártaro de Janibeg

catapultou para dentro das muralhas os mortos de peste, iniciando uma terrível epidemia que se

difundiu na Europa e dizimou a população. Ainda hoje, a peste mata 2.000 pessoas por ano, na África

e na Ásia. Em 1941, durante o conflito sino-japonês, o exército do Japão disseminou a peste bubônica

no norte da China, em cinco ocasiões.

Estima-se que uma dúzia de países teria armas biológicas de destruição em massa, envolvendo

aproximadamente 70 agentes infecciosos. Atualmente, ou em curto prazo, existem vacinas para

alguns deles (Bacillus anthracis, Clostridium botulinicum, Yersinia pestis, Francisella tulariensis,

varíola e hantavírus). Entretanto, de um ponto de vista científico, sanitário ou financeiro, a vacinação

poderia não ser o método de combate mais eficiente. Por isso, boa parte do esforço antiterrorista

está sendo orientado atualmente para o melhoramento de diagnósticos e a procura de novos

medicamentos antivirais e antibacterianos.

Outro motivo de preocupação está na quantidade de informação referente ao genoma de

patógenos disponível nos bancos de dados públicos, porque se teme que esse conhecimento possa

ser utilizado para elaborar armas biológicas.

Em 2002, um grupo de pesquisadores americanos mostrou que partículas infecciosas sintéticas

de poliovírus podem ser obtidas a partir da sequência genômica disponível na Internet. Esses

pesquisadores sintetizaram alguns fragmentos de DNA e encomendaram outros a empresas

especializadas. Juntando os pedaços, eles construíram uma molécula de DNA de 7.500 pares de

bases. Depois de transcrever a informação e colocar o RNA em um meio com componentes celulares,


214

eles obtiveram partículas virais. Recentemente, outro grupo de pesquisadores utilizou o mesmo

método para sintetizar o vírus da gripe espanhola.

No fim do ano 2011, pesquisadores holandeses e norteamericanos noticiaram ter conseguido

manipular o vírus H5N1 em laboratório, tornando-o facilmente transmissível em seres humanos. O

trabalho, que poderia servir tanto para elaborar uma vacina como para criar uma arma letal, levanta

o problema da liberação dos dados da pesquisa que, normalmente, são compartilhados por

pesquisadores de todos os países.

O perigo do bioterrorismo não deve ser subestimado. Denomina-se biosseguridade a nova

disciplina que lida com a utilização inadequada do conhecimento biológico e, particularmente com as

pesquisas consideradas de uso duplo.

18. BIOTECNOLOGIA E SAÚDE /

OS TESTES DIAGNÓSTICOS



OS TESTES DIAGNÓSTICOS

O reconhecimento dos sintomas de uma doença exige do médico conhecimento e experiência. O

diagnóstico é estabelecido a partir de vários elementos, tais como a história clínica do paciente, a

anamnese, os exames físicos e uma bateria de análises e/ou testes laboratoriais.

Solicitados pelo médico para monitorar o estado de saúde do paciente, os testes de rastreio

identificam fatores químicos, microbianos ou genéticos que possam causar uma doença ou estar-lhe

associados. Constituem uma rotina que varia em função do sexo e da idade do paciente. Os

resultados serão avaliados em relação a um conjunto de valores que é considerado o normal, e

remetidos ao médico como uma fonte objetiva de informação.

Geralmente realizados em amostras de sangue e de urina, o objetivo desses testes é detectar

qualquer disfunção de maneira a induzir mudanças no estilo de vida do paciente e/ou iniciar

rapidamente um tratamento. Como exemplos, o hemograma, a análise de urina, o lipidograma e,

também, a identificação do antígeno prostático para diagnóstico de câncer etc.

Qualquer negligência em relação à adoção dos testes adequados pode ter consequências graves

para a saúde pública. Embora existisse no mercado um teste da empresa Abbott para o diagnóstico

de HIV, em 1985 a França postergou o rastreio das doações de sangue, em uma medida protecionista

visando favorecer o lançamento de um teste francês. Em poucos meses, 297 pessoas receberam

transfusões de sangue contaminado e três ministros de Estado tiveram que comparecer na Justiça

para responder pelo escândalo.

Inserida nos setores médico e veterinário, estima-se que a indústria de diagnósticos in vitro terá

um volume de vendas global de US$ 60 bilhões em 2014. O setor que cresce mais rapidamente é o de

diagnósticos moleculares (doenças infecciosas e cardiovasculares, oncologia e farmacogenética), em

função do crescimento dos mercados da América Latina, do Leste Europeu, do Meio Oriente e do

Leste Asiático.

AS TENDÊNCIAS ATUAIS

Uma das tendências atuais é centralizar os testes diagnósticos em um ambiente automatizado, de

alta tecnologia, onde se integrem os reagentes, os instrumentos analíticos e os produtos acessórios

de controle de qualidade. Em consequência, as análises clínicas estão se concentrando em umas

poucas empresas, com suficiente poder econômico para desenvolver a tecnologia e adquirir um

volume de amostras que justifique a utilização desses sistemas robotizados.

Em outra vertente mercadológica, kits comerciais relativamente simples permitem o diagnóstico

de gravidez e o monitoramento de algumas condições crônicas como a diabete, e são vendidos nas

farmácias ou via Internet.

A construção de dispositivos miniaturizados de arrays moleculares de proteínas, anticorpos ou

ácidos nucleicos estimulou o desenvolvimento de várias plataformas comerciais (Affymetrix, Illumina,

Agilent, Applied Biosystems, Incyte / Stanford etc.). A chegada de materiais e dispositivos construídos

em escala nanométrica deverá revolucionar os testes in vitro.


216

FIGURA 18.1. Imagens comerciais de alguns dispositivos miniaturizados utilizados em testes

diagnósticos.

A. Lab-on-a-chip de Agilent (lab-on-a-chip-loc-243049.jpg (http://www.directindustry.com)

B. Chip de DNA para diagnóstico de Toshiba (http://www.toshiba.co.jp/rdc/rd/fields/06_t29_e.htm)

C. Gene chip de Affymetrix (http://www.pgbeautygroomingscience.com)

A B C

FIGURA 18.2. Imagem comercial dos sistemas API de Biomérieux.

(http://www.biomerieux.com.br/servlet/srt/bio/brazil/dynPage?doc=BRZ_CLN_PRD_G_PRD_CLN_12)

FIGURA 18.3. Uma microplaca de poliestireno.

TABELA 18.1. As qualidades de um bom teste de diagnóstico.

QUALIDADE DEFINIÇÃO

Sensibilidade Probabilidade de dar um resultado positivo quando a condição está presente

Especificidade Probabilidade de dar um resultado negativo quando a condição não está presente

Exatidão Dar o mesmo valor que o obtido com outro método

Reprodutibilidade Em se tratando de um teste quantitativo, dar sempre o mesmo valor na mesma amostra.

http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://img.directindustry.com/images_di/photo-m2/lab-on-a-chip-loc-243049.jpg&imgrefurl=http://www.directindustry.com/prod/agilent-technologies-life-sciences-and-chemical/labs-on-a-chips-loc-32598-243049.html&usg=__TUtLblgt56GhW3h7z6K_eVy8nqQ=&h=253&w=300&sz=36&hl=pt-BR&start=0&sig2=e3amojjnwOrWu3BPPsa6SQ&zoom=1&tbnid=CGjcOFx4X8_W5M:&tbnh=130&tbnw=153&ei=EpreTe2XMOPv0gHsu6CsCg&prev=/search%3Fq%3DAgilent%2Blab-on%2Ba%2Bchip%26um%3D1%26hl%3Dpt-BR%26rlz%3D1I7DABR_pt-BR%26biw%3D1024%26bih%3D677%26tbm%3Disch&um=1&itbs=1&iact=hc&vpx=743&vpy=213&dur=7740&hovh=202&hovw=240&tx=214&ty=223&page=1&ndsp=22&ved=1t:429,r:11,s:0

http://www.toshiba.co.jp/rdc/rd/fields/06_t29_e.htm

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 18: Biotecnologia e saúde - Testes diagnósticos

217

O desenvolvimento da tecnologia microfluídica permitiu a miniaturização de testes diagnósticos em

dispositivos que realizam automaticamente as diversas etapas do procedimento. Com os biochips

microfluídicos ou lab-on-a-chip (LOC), resultados precisos são obtidos rapidamente no consultório

médico, no hospital (emergência, unidade de terapia intensiva) ou em algum lugar isolado, sem

precisar recorrer ao laboratório (Figura 18.1). Estima-se que, em 2014, o mercado global dos

produtos lab-on-a-chip chegará a US$ 2,1 bilhões.

O QUE É UM BOM TESTE

As técnicas bioquímicas, imunológicas e genéticas ocupam um lugar preponderante no setor de

diagnósticos, porque reúnem várias qualidades (Tabela 18.1). Apesar ser aplicadas também na área

ambiental (análise de solos, qualidade da água) e na indústria de alimentos (detecção de

contaminantes nos alimentos ou nas matérias-primas), neste capítulo nos limitaremos a analisar sua

utilização na área de saúde.

AS TÉCNICAS COM BASE BIOQUÍMICA

Desde a década de 1970, as técnicas clássicas de identificação microbiana também estão sendo

substituídas por sistemas miniaturizados.

Nos sistemas API da empresa Biomérieux, por exemplo, uma alíquota de uma suspensão

microbiana é adicionada em minitubos contendo os reagentes necessários para determinar as

características fisiológicas do microrganismo em questão (Figura 18.2). Algumas das reações ocorrem

em aerobiose, outras em anaerobiose.

Diversos tipos de galerias conseguem identificar quase todas as bactérias (Gram positivas e

Gram negativas) e as leveduras de interesse clínico. Além de ser mais seguros, o sucesso desses

dispositivos se deve à redução da quantidade de reagentes, do trabalho laboratorial e dos custos.

AS TÉCNICAS COM BASE IMUNOLÓGICA

Baseadas nas reações de aglutinação e precipitação entre um antígeno e o anticorpo

correspondente, as técnicas imunológicas receberam um grande impulso a partir de 1975, com o

desenvolvimento da tecnologia de hibridomas. Desde então, o principal avanço está na construção

de bibliotecas de bacteriófagos produtores de fragmentos de anticorpos humanos, obtidos por fusão

do gene de uma proteína viral com o gene correspondente à região variável de um anticorpo isolado

em linfócitos B humanos.

Apesar de complexa, demorada e cara, a tecnologia de hibridomas abastece os laboratórios com

reagentes standard, específicos e sensíveis. Associados a moléculas radiativas ou fluorescentes, os

anticorpos monoclonais detectam os antígenos específicos em células, tecidos, soros e corridas

eletroforéticas (imunofluorescência, radioimunoensaio, Western Blot etc.). São utilizados também

para separar diferentes populações celulares (CellSorter) e localizar tumores.

Em outro tipo de testes, os anticorpos se encontram acoplados a enzimas que formam um

produto colorido em presença do substrato (ELISA, do inglês Enzyme Linked Immunosorbent Assay).

Estes testes não só detectam como quantificam a concentração de anticorpos (infecções, doenças

autoimunes) e de antígenos (hormônios, antígenos cancerosos, alérgenos nos alimentos e na poeira

caseira, toxinas alimentares, esteroides usados ilicitamente por atletas, drogas como a cocaína e os

opiáceos etc.).


218

FIGURA 18.4. Os métodos direto e indireto de um teste positivo de ELISA.

FIGURA 18.5: Imagem mostrando a identificação dos 46

pares de cromossomos humanos mediante a técnica de

SKY, segundo o National Human Genome Research

Institute (http://www.genome.gov).

FIGURA 18.6: Imagem comercial de um termociclador para

a reação em cadeia da polimerase, de Applied Biosystems

(http://appliedbiosystems.com).

MÉTODO DIRETO MÉTODO INDIRETO

O anticorpo é fixado na placa de microtitulação.

O antígeno é fixado na placa de microtitulação.

Coloca-se uma amostra de sangue como fonte de antígeno. Este se fixa nos anticorpos. Retira-se o excesso por lavado.

Coloca-se uma amostra de soro como fonte de anticorpos. Estes se fixam no antígeno.Retira-se o excesso por lavado.

Acrescentam-se anticorpos ligados a uma enzima E, que se fixam no antígeno.Retira-se o excesso por lavado.

Acrescentam-se anticorpos específicos para a imunoglobulina humana, ligados a uma enzima E, que se fixam nos anticorpos do soro, fixados previamente no antígeno.Retira-se o excesso por lavado.

Adiciona-se o substrato da enzima, formando-se um produto colorido P.

Adiciona-se o substrato da enzima, formando-se um produto colorido P.

A cor é proporcional à quantidade de antígeno no sangue.

A cor é proporcional à quantidade de anticorpos no soro.

http://www.genome.gov/


219

Os testes podem ser processados em microplacas de poliestireno com um número variável de

pequenas cavidades que cumprem a função de um tubo de ensaio (Figura 18.3). Estas placas

permitem realizar simultaneamente numerosos testes, utilizando uma quantidade mínima de

reagentes e automatizando a leitura dos resultados. Os métodos, direto e indireto, dependem da

molécula fixada nos poços da microplaca (Figuras 18.3 e 18.4).

Existem também microarrays proteicos em pequenas lâminas, contendo pouco mais de 100

diferentes moléculas, proteínas ou anticorpos em um centímetro quadrado. Diferente dos chips

microfluídicos, que separam e processam proteínas, os microarrays proteicos extraem as moléculas-

alvo do meio e as fixam, possibilitando sua identificação.

Estes dispositivos são de grande importância nos estudos relativos ao proteoma. Estima-se que,

em 2014, o mercado global de microarrays proteicos chegará a US$ 848 milhões.

AS TÉCNICAS COM BASE GENÉTICA

A utilização das tecnologias genéticas para o diagnóstico clínico se vê favorecida pelo acúmulo de

conhecimento sobre o genoma humano.

Os estudos cromossômicos evoluíram notavelmente com a utilização de sondas acopladas a

moléculas fluorescentes (SKY, do inglês spectral karyotyping). O computador transforma a imagem

microscópica em outra de cores brilhantes bem definidas, facilitando a identificação dos pares

cromossômicos e de pequenas translocações (Figura 18.5).

Sondas específicas também possibilitam a localização de sequências gênicas nas células (FISH,

do inglês fluorescence in situ hibridization, ASO, do inglês Allele-specific oligonucleotide) e nos

fragmentos de ácidos nucleicos, previamente separados por eletroforese em gel (Southern e

Northern Blot, Fingerprint). Contudo, a grande estrela é a reação em cadeia da polimerase ou PCR

(do inglês, polymerase chain reaction), uma tecnologia que, por amplificar quantidades ínfimas de

DNA, facilita as análises posteriores (Figura 18.6).

Na área clínica, a PCR é aplicada na identificação de patógenos e na pesquisa de variações

genéticas dos pacientes. Diversas variantes combinadas permitem detectar marcadores específicos e,

por exemplo, verificar a desaparição de um clone celular maligno ou determinar se um tratamento

oncológico deve ser prolongado. O monitoramento da reação mediante anticorpos fluorescentes

consegue eliminar os estudos complementares de eletroforese, posteriores à amplificação. Assim,

obtêm-se os resultados rapidamente “em tempo real”. A versatilidade da técnica tem dado origem a

numerosos procedimentos bem diversificados.

Contudo, os maiores avanços vêm da construção de sistemas miniaturizados, os biochips

microfluídicos (lab-on-a-chip) e os microarrays e biochips de DNA.

Um biochip microfluídico reúne, em um único dispositivo, as diferentes etapas de um

procedimento de diagnóstico complexo: extração da amostra, separação eletroforética,

coloração/descoloração e identificação. O lab-on-a-chip demanda uma intervenção humana mínima

e dá rapidamente um resultado preciso que pode ser arquivado facilmente.

Um segundo tipo de dispositivo é o microarray, que consta de até 100.000 sondas de DNA por

centímetro quadrado, fixadas a uma lâmina. A hibridização dessas sondas com as moléculas de

ácidos nucleicos (cDNA) marcados será visualizada por varredura (scanner) como pontos

fluorescentes.

Os microarrays são utilizados nos estudos de expressão gênica e para o sequenciamento rápido

de oligonucleotídeos. O estudo simultâneo de centenas de genes é um caminho para desvendar as

interrelações existentes entre eles e vários aspectos do funcionamento do genoma.


220

Esperam-se destes dispositivos grandes avanços no diagnóstico do câncer e das doenças

cardíacas e neuropsiquiátricas (Figura 18.7). Também possibilitarão a escolha de tratamentos

farmacológicos adequados ao perfil do paciente. Estima-se que, em 2014, o mercado global de

microarrays de DNA chegará a US$ 2,7 bilhões.

FIGURA 18.7. O uso de arrays no diagnóstico de mutações nos genes BRCA1 e BRCA2.

Compara-se o padrão obtido na hibridização dos fragmentos de DNA marcados de uma paciente e os de um controle normal. A hibridização de ambos DNAs, do DNA da paciente ou do DNA do controle com as sondas, detectada por varredura (scanner), é sinalizada com cores diferentes em uma imagem computadorizada.

Tecido da paciente Tecido controle

Extração de mRNA

Extração de mRNA

Preparação de cDNA (transcriptase reversa)

Preparação de cDNA

(transcriptase reversa)

Amplificação do DNA e marcação com

substâncias com diferente fluorescência

Amplificação do DNA e marcação com

substâncias com diferente fluorescência

Mistura de ambos os cDNAs marcados

Hibridização com as sondas fixadas na placa do microarray e rinsagem

Varredura e leitura

Diagnóstico

Os pontos verdes e vermelhos identificam, respectivamente, os sítios de hibridização de cada um dos DNAs testados. Os pontos amarelos identificam os sítios de hibridização de ambas as amostras, e os pontos pretos os de nenhuma das duas amostras.


221

O DIAGNÓSTICO DAS DOENÇAS INFECCIOSAS

A disseminação de uma doença é detida com o tratamento, posterior ao diagnóstico. Nos países

desenvolvidos, assim como em alguns setores dos países em desenvolvimento, os novos testes de

diagnóstico se encontram ao alcance da população.

Essa não é a realidade dos países mais pobres, sem acesso a esta tecnologia, que exige material

e equipamentos especializados. Nesses países, uma das principais causas de mortalidade continua

sendo a alta incidência de doenças infecciosas, entre as quais devemos incluir as emergentes

(HIV/AIDS), as re-emergentes (tuberculose) e as pertencentes ao vasto grupo das doenças

negligenciadas (malária etc.).

O diagnóstico de HIV está baseado no reconhecimento de uma proteína (p24) do vírus e na

presença de anticorpos (ELISA, Western Blot), dois testes que atualmente podem ser combinados em

um só. Para chegar a todos, a grande inovação seria a complementação ou substituição dos testes

atuais por outros rápidos, que não requeiram uma infraestrutura laboratorial.

Diagnosticada a infecção por HIV, dois testes acompanham sua evolução: a carga viral, medida

por PCR quantitativa, e a contagem de células CD4. Dependendo dos resultados, dá-se início ao

tratamento. A resistência da linhagem viral aos medicamentos é avaliada mediante testes genéticos.

Em alguns países encontram-se à venda kits para HIV/AIDS. Contudo, a necessidade de apoio

psicológico para enfrentar o diagnóstico e a dificuldade para o leigo de lidar com os resultados “falso

positivo” ou “falso negativo” limitam muito sua utilização individual. Nas mãos de pessoal treinado,

os testes de diagnóstico rápido são uma ferramenta preciosa não só para o diagnóstico de HIV/AIDS

como para o de outras doenças de importância epidemiológica, como hepatite, sífilis e malária.

O diagnóstico da tuberculose envolve várias etapas, lentas e trabalhosas. Descobre-se a infecção

latente pela reação à tuberculina e diagnostica-se a doença a partir de radiografias, observações

microscópicas e cultivos microbianos. Testes mais recentes identificam rapidamente os anticorpos no

sangue (ELISA) e o Mycobacterium tuberculosis diretamente no esputo (sondas genéticas). Contudo,

a difusão desses testes ainda se encontra limitada pelo custo.

O diagnóstico de malária depende de observações clínicas confirmadas por microscopia, uma

técnica que, apesar de ser relativamente econômica, exige pessoal treinado. Apesar da existência de

testes genéticos, os testes imunológicos rápidos resultam mais convenientes nas regiões remotas,

onde não há laboratórios nem equipamentos apropriados. A um custo menor, estes reconhecem o

Plasmodium falciparum, resistente a cloroquina, dentre as espécies que podem causar a doença,

facilitando a escolha do tratamento.

Os países emergentes precisam também de testes de diagnóstico adaptados às doenças que os

afetam como, por exemplo, a doença de Chagas, a Leischmaniose, a malária, a leptospirose, a

dengue, as infecções por rotavírus etc.

Várias empresas latino-americanas desenvolvem tecnologias avançadas e comercializam kits de

diagnóstico em vários países (Argentina, Brasil, Chile, Colômbia, Cuba, Venezuela e Uruguai). Alguns

produtos são inovadores como, por exemplo, os kits para diagnóstico de hidatidose, de doença

celíaca e da doença de Chagas de três empresas argentinas.

A TIPIFICAÇÃO DE TECIDOS

SANGUE

A tipificação das hemácias classifica as pessoas em quatro grupos para os marcadores ABO (A, B, AB e

O) e dois para o sistema Rh (Rh+ e Rh-). A caracterização rotineira deste último durante a gravidez

permite tomar medidas em caso de incompatibilidade sanguínea mãe-feto.


222

Também é necessária a tipificação dos sistemas ABO e Rh antes de uma transfusão sanguínea.

Esta intervenção salva vidas em pacientes que sofreram uma hemorragia (acidente, cirurgia, doenças

digestivas etc.) ou que apresentam um quadro de anemia séria (quimioterapia, câncer, doenças

hematológicas).

Nem sempre basta a tipificação dos antígenos ABO e RH da superfície das hemácias, porque

existem vários outros sistemas de grupos sanguíneos que podem desencadear uma reação grave. Em

pacientes que tenham passado por uma gravidez ou uma transfusão prévia, os anticorpos a esses

sistemas são pesquisados mediante kits de hemácias específicas. A palavra final corresponde aos

testes de compatibilidade, em que se coloca o soro do receptor em presença das hemácias do

doador. Indispensáveis na rotina de um banco de sangue, estes testes personalizados são realizados

por pessoal médico ou técnico.

Nos centros hospitalares que processam um número alto de amostras de sangue, os testes

sorológicos clássicos em tubos de vidro estão sendo substituídos por novas tecnologias, em estações

de trabalho automatizadas: Gel Tests para tipificação de hemácias, ACT (do inglês affinity column

technology) para identificar subclasses de imunoglobulinas em hemácias sensibilizadas, tecnologia

para pesquisa de anticorpos em placas de microtitulação.

OUTROS TECIDOS E ÓRGÃOS

A rejeição de um órgão transplantado de uma pessoa a outra se deve à incompatibilidade entre os

respectivos tecidos. Além dos antígenos do grupo sanguíneo (ABO), outros marcadores de identidade

também se expressam nas células de um organismo. O sistema imune os utiliza para diferenciar as

células que fazem parte do organismo (“eu”) das que não pertencem a ele (“não eu”).

Esses antígenos de identidade são codificados por um conjunto de genes estreitamente ligados,

localizados no cromossomo 6. Os genes HLA, HLB e HLC determinam os antígenos de classe I,

presentes em todas as células, excetuando as hemácias. Já o locus HLD determina outros três

antígenos (DR, DQ e DP), denominados de Classe II, que são encontrados em algumas células

(macrófagos, monócitos, células dendríticas e células endoteliais). Os de maior importância clínica

são os antígenos de classe I codificados pelos alelos de HLA e HLB e os de classe II, relativos a DR.

FIGURA 18.8. O sistema HLA.

A herança dos haplótipos


223

A herança do sistema HLA segue um padrão de codominância, ou seja, ambos os alelos se expressam

nas células. Quando uma pessoa é caracterizada como HLA - A1 A3 B8 B14 DR2 DR10, isto significa

que, em um cromossomo, leva os alelos A1 B8 DR2 herdados de um dos pais, e, no outro, A3 B14

DR10, herdados do outro. Por estarem estreitamente ligados, esses genes se transmitem em blocos,

denominados haplótipos (Figura 18.8).

Como esses genes contam com mais de 450 alelos, milhões de combinações seriam possíveis e

cada pessoa teria uma identidade única. Contudo, alguns haplótipos são mais frequentes que outros,

especialmente em diferentes grupos raciais.

Para tipificar os tecidos, os antígenos celulares devem ser identificados mediante baterias de

anticorpos e instrumentação laboratorial. A incompatibilidade entre os linfócitos ou tecidos do

doador e os linfócitos do receptor é evidenciada pela proliferação celular in vitro (reação mista).

Utiliza-se também a PCR para caracterizar os genes HLA-DP do doador e do receptor (testes de DNA).

Antes de um transplante, também é estudada a compatibilidade entre o soro do receptor e os

tecidos do doador, para verificar a ausência de anticorpos contra o órgão a transplantar

(crossmatch), que podem aparecer devido a gravidezes, transplantes anteriores ou transfusões.

A PRÁTICA FORENSE

Com exceção dos gêmeos idênticos, nenhuma pessoa é geneticamente idêntica à outra. Durante

quase um século, a identificação das pessoas dependeu das impressões digitais. E muitos crimes

foram resolvidos graças a estudos bioquímicos e imunológicos, apesar das enormes dificuldades em

encontrar uma quantidade suficiente de material em estado de conservação adequado.

A análise do DNA para a identificação das pessoas é utilizada a partir da década de 1980, quando

A. Jeffreys idealizou a técnica do Fingerprint, estabelecendo uma relação única entre um indivíduo e

sua sequência gênica. A identificação recorre a pequenas sequências não codificadoras dispersas no

DNA, denominadas VNTRs ou vinters (do inglês, variable-number tandem repeats). Essas sequências

polimórficas repetem-se um número de vezes que pode variar de um cromossomo ao seu homólogo,

de modo que os fragmentos de restrição terão tamanhos diferentes (Figura 8.5).

Sondas genéticas específicas identificam até 20 tipos diferentes de sequências VNTRs. No gel de

eletroforese aparecerá um padrão de bandas individual, parecido com os códigos de barras usados

no comércio. Como a probabilidade de duas pessoas escolhidas ao acaso terem o mesmo perfil de

DNA é menor a um em um trilhão, o resultado é praticamente único para cada indivíduo. Os VNTRs

também podem ser amplificados por PCR.

Na determinação da paternidade, os estudos de grupos sanguíneos e de proteínas do soro têm

sido complementados ou substituídos pelos testes de DNA, que se transformaram no eixo de varias

investigações muito comentadas na mídia. No Brasil, o jogador de futebol Pelé teve que reconhecer a

paternidade de Sandra Regina, e o menino Pedrinho, sequestrado na maternidade logo após seu

nascimento pôde, anos mais tarde, reencontrar sua verdadeira família.

Apesar das críticas levantadas em relação às possibilidades de erros laboratoriais devidos à

contaminação de amostras, ao risco da participação de pessoal treinado inadequadamente e às

dificuldades de interpretar estatisticamente os dados, em poucos anos a análise de DNA se

transformou em uma ferramenta indispensável na prática forense.

Depois de anos de mistérios e rumores, os cadáveres enterrados em uma fossa comum perto de

Jekaterinburg foram reconhecidos, em 1994, como sendo os do tzar Nicolau II, sua família e

servidores, assassinados durante a Revolução Russa (1918). Em 1992, os ossos encontrados, anos

antes, em uma tumba no Brasil, foram identificados como pertencentes ao comandante do campo

de extermínio de Auschwitz, Joseph Mengele, um dos homens mais procurados após a Segunda

Guerra Mundial. Mais recentemente, nos Estados Unidos, uma mancha no vestido azul de uma


224

estagiária se transformou em uma peça essencial para solicitar o impeachment do Presidente

Clinton.

A análise de DNA é a única forma de reconhecer as vítimas de catástrofes, conflitos bélicos e

atentados como o do World Trade Center (Nova York, 2001) ou da estação de Atocha (Madrid, 2004).

E, anos mais tarde, de seu instigador, Osama Bin Laden.

Quando as amostras estão muito degradadas, analisa-se o DNA mitocondrial. Transmitido por

via materna, esse DNA conta com uma região muito variável, apta para identificar pessoas. Esta

metodologia tem sido aplicada na Argentina.

Durante o regime militar que governou o país entre 1976 e 1985, foram exterminadas

(desaparecidas) de 9.000 a 30.000 pessoas. Muitas crianças foram então separadas de suas famílias e

entregues para adoção, sob uma nova identidade. A comparação entre o seu DNA e o de suas avós

maternas possibilitou a muitos filhos de desaparecidos recuperarem sua identidade.

O DIAGNÓSTICO DE DOENÇAS DE ORIGEM GENÉTICA

AS LIMITAÇÕES DOS TESTES

As doenças de origem genética representam um grupo heterogêneo de patologias que obedecem a

causas diversas: alterações no número e na estrutura dos cromossomos, ação de um gene

determinando a síntese de uma proteína ou sua ausência, ação de vários genes interagindo com

fatores ambientais, tais como o fumo, a dieta, o estresse etc. (Tabela 18.2).

O diagnóstico das doenças genéticas está baseado em observações clínicas e testes laboratoriais

(metabolismo, cromossomos, DNA). A localização e o sequenciamento dos genes responsáveis pelas

principais doenças monogênicas possibilitaram o desenvolvimento de testes genéticos. Contudo,

devido à própria heterogeneidade do determinismo genético, esses testes apresentam algumas

limitações:

o Algumas mutações são inócuas para a saúde do portador (polimorfismos). o Mutações em genes diferentes podem causar a mesma doença. o Mutações diferentes dentro de um mesmo gene podem causar a mesma doença. o Mutações diferentes dentro do mesmo gene podem causar doenças parecidas, mas com

prognóstico diferente (benigno ou grave).

Um teste genético pode não detectar todas as mutações capazes de causar uma doença. Por outro

lado, sua sensibilidade depende da inclusão da informação mais recente resultante da pesquisa

genética.

Existem doenças genéticas que aparecem em uma família devido a mutações em algum gene

desconhecido, de modo que não é possível sua identificação. O caso não pode ser resolvido, a não

ser que se encontre uma ligação com outro gene próximo e bem conhecido, que funcionará como

um marcador. A transmissão do gene marcador permite inferir como é transmitido o gene

desconhecido. Um estudo desenvolvido por 50 grupos de pesquisa (Wellcome Trust Case Control

Consortium) identificou recentemente 24 regiões do genoma humano fortemente relacionadas com

7 doenças diferentes (Doença de Crohn, diabete tipo 1 e 2, doença cardiovascular, hipertensão,

artrite reumatoide e doença bipolar).

Também é difícil determinar qual a contribuição dos genes para doenças que apresentam um

padrão de herança complexo, com vários genes interagindo com fatores ambientais. A não ser que

haja um gene com um efeito muito maior que os restantes, os testes genéticos são de difícil

elaboração.


225

A presença de determinados alelos, como BRCA1 e BRCA2, está associada a uma predisposição

familiar ao câncer de mama. Contudo, esses alelos não são detectados na maioria dos outros casos

da mesma doença. Em outros termos, nem todas as doenças de origem genética são familiares,

podendo aparecer devido a mutações ou alterações cromossômicas ocorridas ao longo da vida.

AS ESTRATÉGIAS SEGUIDAS

Apesar de suas limitações, os testes genéticos representam um avanço significativo do ponto de vista

médico e individual. Aplicados em qualquer momento da vida de uma pessoa, respondem a

diferentes objetivos.

O rastreio de portadores é realizado quando um casal planeja ter filhos e deseja saber se tem ou

não um determinado alelo. Geralmente, é solicitado quando há casos de doença na família ou

quando o casal pertence a uma população em que a frequência da doença é alta. Nas famílias

afetadas, os testes genéticos identificam os indivíduos portadores de um gene ou de uma alteração

cromossômica que possa trazer problemas para eles ou para sua descendência.

Rastreio de portadores e aconselhamento genético são duas medidas que conseguiram diminuir

a incidência de várias doenças em algumas comunidades: a anemia falciforme entre os afro-

americanos, a doença de Tay-Sachs entre os judeus ashkenazim, a fibrose cística entre os irlandeses.

O rastreio de erros inatos do metabolismo no recém-nascido possibilita o tratamento de

algumas condições hereditárias, evitando danos e lesões irreparáveis. Aproximadamente 5% das

crianças nascem com problemas congênitos ou hereditários, alguns dos quais podem ser previstos

mediante testes genéticos de rastreio.

A partir da década de 1960, diminuíram as deficiências mentais causadas pela fenilcetonúria,

graças à implantação do Teste de Guthrie ou “do pezinho”, que mede a quantidade de fenilalanina

no sangue. Uma técnica nova, derivada da espectrometria de massa, é capaz de detectar 20

transtornos metabólicos em um único teste.

O diagnóstico pré-natal é realizado quando há algum risco ou indício de doença genética no

feto. Por exemplo, uma concentração elevada de -fetoproteína no sangue materno, entre a 15a e a

20a semana de gravidez, indica a possibilidade de o feto apresentar anomalias, como a síndrome de

Down. Neste caso, a mãe poderá ser aconselhada a fazer uma amniocentese, extraindo-se uma

pequena quantidade de líquido amniótico e estudando as células do feto para confirmar ou excluir

vários diagnósticos. A mãe poderá optar também por uma biopsia de vilosidades coriônicas, em que

se retiram algumas células da placenta (córion) para análise.

Em uma fecundação in vitro, o diagnóstico pré-natal pode preceder a implantação do embrião.

Após três divisões celulares, quando o embrião se encontra num estado de oito células, uma delas é

removida para a determinação do sexo e das características genéticas. O procedimento não causa

dano ao embrião.

No adulto, os testes genéticos são feitos a partir de alguma evidência clínica, para confirmar ou

descartar um diagnóstico. Realizam-se também para prever se uma pessoa que não apresenta

sintomas irá desenvolver uma doença da qual já existem casos na família (doença de Huntington,

doença de Alzheimer) ou para detectar a presença de algumas mutações gênicas associadas à

predisposição a alguma doença.


226

TABELA 18.2. Algumas das mais de 8.000 doenças genéticas descritas.

Nas doenças monogênicas, a transmissão mostra um padrão claro de herança que não é sempre fácil de evidenciar nas doenças esporádicas ou multifatoriais. Os exemplos que figuram na tabela correspondem a mutações no genoma nuclear. Fonte: Issues in Human genetics (EIBE).

TIPO DE DOENÇA

HERANÇA EXEMPLO CARACTERÍSTICAS APARIÇÃO DOS SINTOMAS

Cromossômica

Esporádica

Síndrome de Down Grau variável de atraso mental etc.

Nascimento

Síndrome de Turner Alterações da diferenciação sexual (mulheres)

Nascimento

Síndrome de Klinefelter Alterações da diferenciação sexual (homens)

Nascimento

Monogênica

Autossômica recessiva

Fibrose cística Diversas complicações devidas à secreção de muco excessivamente espesso

1-2 anos

Fenilcetonúria Deficiência mental Nascimento

Anemia falciforme Anemia crônica, infecções, crises dolorosas ou hemolíticas

A partir dos 6 meses

Doença de Tay-Sachs Surdez, cegueira, contraturas, espasticidade

3-6 meses

Talassemias Anemia severa, deformações esqueléticas.

A partir dos 6 meses

Autossômica dominante

Hipercolesterolemia familiar

Nível de colesterol alto causando doença coronária juvenil

20-30 anos

Doença de Huntington Movimentos involuntários, demência

35-45 anos

Rim policístico Cistos no fígado, no pâncreas, no baço e no rim

40-60 anos

Ligada ao X

Hemofilias Alterações da coagulação sanguínea, sangramento excessivo dos ferimentos

A partir de 1 ano

Distrofia muscular de Duchenne

Degeneração muscular 1-3 anos

Síndrome de Lesch-Nyan Atraso mental, automutilação Nascimento

Multifatorial

Contribuição genética variável

Asma Dificuldade em respirar Nascimento

Doença cardiovascular Entupimento das artérias, ataques cardíacos

Idade adulta


227

DIAGNÓSTICO PREVENTIVO E PREDITIVO

Ao associar um gene a uma doença, os testes genéticos marcam o início de um tratamento

apropriado, que trata os sintomas ou retarda sua aparição (hemofilia, distrofia muscular de Becker-

Duchenne, fibrose cística etc.). Mas nem sempre resultam claras quais as vantagens do diagnóstico

de uma alteração gênica para a qual não existe nem cura nem alívio. Neste caso, a existência de um

teste de diagnóstico pode exigir escolhas muito complexas.

Consideremos, por exemplo, a Coreia de Huntington, uma doença de difícil tratamento, que se

manifesta tardiamente e se transmite de modo autossômico dominante. A decisão de fazer o teste

depende da própria pessoa, mas atinge seus familiares, porque um diagnóstico pode ser informativo

sobre a constituição genética dos outros integrantes da família. Outro exemplo é o da transmissão

familiar da doença de Alzheimer, em que algumas pessoas querem saber se vão a desenvolver os

sintomas e outras não.

Os avanços tecnológicos recentes abrem caminho para o estudo das doenças que resultam da

interação de fatores genéticos e ambientais. Já não se trata de prever uma doença, mas de calcular

qual a probabilidade de vir a desenvolvê-la. A função de um diagnóstico preditivo é de dar ao

paciente a possibilidade de fazer escolhas saudáveis, eventualmente modificando seu modo de vida

e aumentando a vigilância frente a determinados sintomas. Hoje existem testes para a predisposição

a doenças cardiovasculares, doença periodontal, predisposição ao câncer de mama, de ovário, de

cólon e de endométrio. E estão sendo desenvolvidos testes preditivos de resposta a medicamentos.

A predição tem suas limitações. Por exemplo, as mulheres com o gene BRCA1 têm 80% de

chances de desenvolver câncer de mama aos 65 anos de idade; um risco que é considerado alto, mas

sem que exista uma certeza absoluta. Graças ao diagnóstico preditivo, elas poderão aumentar as

medidas preventivas, isto é, mamografias, controles médicos, etc. Mas do ponto de vista preventivo,

não se pode ignorar que a predisposição familiar responde só por 5 a 10% dos casos de câncer, sendo

os 90 a 95% restantes devidos a mutações adquiridas ao longo da vida.

Calcula-se que em 20 anos, nos países desenvolvidos, a expansão do mercado dos testes

genéticos e dos medicamentos relacionados possibilitará os tratamentos de saúde pré-sintomáticos.

Quantos destes serão necessários? Quantas pessoas se sentirão erroneamente seguras em relação

ao estilo de vida que adotarem?

A implementação da medicina preditiva deve ser analisada criteriosamente por todos os setores

da sociedade. Quem controlará a aplicação dos testes genéticos? Como garantir que a decisão de se

submeter a um teste obedeça exclusivamente a uma escolha pessoal? Quem teria acesso à

informação resultante? Seria possível formar uma subclasse de indivíduos sem seguros de saúde nem

empregos, discriminados em função de seus genes?


228


OS MEDICAMENTOS



A INDÚSTRIA DE MEDICAMENTOS

A origem da farmácia é atribuída a Galeno (século II), um médico romano que, combinando

elementos dos três reinos do mundo natural, elaborara numerosas preparações medicinais. Durante

a Idade Média, conservou-se seu legado, a denominada “farmácia galênica”, em conventos e

monastérios.

No século XVI, o médico e alquimista suíço Paracelso estabeleceu as bases da farmacologia, ao

postular que os agentes curativos do mundo interior (microcosmo) devem ser procurados nas

substâncias químicas do mundo exterior (macrocosmo). Devemos a ele outros importantes

conceitos: existe um remédio específico para cada doença e qualquer remédio pode ser tóxico,

dependendo da dose.

O desenvolvimento da química, no século XVIII, possibilitou a evolução das técnicas

farmacológicas. Na primeira metade do século XIX, fundaram-se os primeiros laboratórios

farmacêuticos. Rapidamente, os métodos artesanais foram substituídos por sistemas de produção

industrial.

A indústria farmacêutica cresceu solidamente ao longo do século XX. O setor compreende os

fabricantes de diversas categorias de medicamentos (de marca, genéricos e de venda liberada), além

das empresas que elaboram produtos novos e das que desenvolvem pesquisas, geralmente

terceirizadas.

A indústria sustenta numerosas atividades de pesquisa e desenvolvimento de novos produtos.

De 5.000 a 10.000 compostos que passam pelo crivo de uma primeira triagem, só um chegará ao

mercado, em um processo que leva de 10 a 15 anos, a um custo aproximado de US$ 800 milhões. O

retorno do investimento é garantido pelos lucros e por um sistema de patentes válido por 20 anos

(Figura 19.1).

O controle da produção de medicamentos depende das grandes corporações multinacionais em

contínuos ciclos de fusão, consolidação e expansão. Extremamente competitivo e dinâmico, o setor é

capaz de absorver rapidamente os avanços científicos e tecnológicos. Na disputa por um mercado em

crescimento, destacam-se como empresas líderes: Pfizer, Novartis, Sanofi-Aventis, Merck, Roche,

GlaxoSmithKline, AstraZeneca, Johnson & Johnson, Eli Lilly e Abbott.

Em 2010, o mercado global de medicamentos movimentou US$ 850 bilhões, contabilizando,

cada uma dessas empresas, vendas em valores superiores aos US$ 19 bilhões. No mesmo ano, os

medicamentos mais vendidos foram os oncológicos, os agentes respiratórios, os reguladores de

lipídios, os antidiabéticos e os antipsicóticos. Estima-se que, em 2014, o volume global de vendas de

medicamentos será de US$ 1 trilhão.

Apesar do número de medicamentos novos colocados no mercado ter diminuído nos últimos

anos, o número de compostos em testes pré-clínicos ou clínicos aumentou. A estrutura do setor

poderá ser reorganizada nos próximos anos em função da chegada de novas tecnologias robóticas,

informáticas e biológicas.


230

FIGURA 19.1. As etapas do desenvolvimento de um medicamento.

Início das pesquisas. Estudos laboratoriais e testes em animais para avaliar a atividade biológica e a segurança.

Pedido de patente (3,5 a 4,5 anos). Pedido de aprovação para dar início aos testes em seres humanos. Fase I: Acompanhamento farmacocinético e primeiros estudos sobre segurança e dosagem em 20 a 100 voluntários sadios (1 ano). Fase II: Eficiência e efeitos colaterais em 100 a 500 pacientes voluntários (2 anos). Fase III: Monitoramento das reações ao uso prolongado do medicamento em 1.000 a 5.000 pacientes voluntários (3 anos). Processo de aprovação do novo medicamento (2,5 anos)

Fase IV: Vigilância farmacológica Vencimento da patente

Genéricos

OS PRINCÍPIOS ATIVOS DAS PLANTAS

O CASO DA ASPIRINA

Devido a seu poder de curar febres e acalmar dores, a casca do salgueiro (Salix Alba) era utilizada na

preparação de poções medicamentosas, já no século XVIII. Dos cristais de salicilina, que era o

princípio ativo, extraía-se o ácido salicílico, esclarecendo-se rapidamente sua fórmula química. Em

1874, fundou-se a primeira empresa para sintetizar ácido salicílico, uma substância capaz de aliviar

eficazmente a dor, mas com o inconveniente de causar problemas estomacais e ter um gosto muito

amargo.

Por acetilação do ácido salicílico, Felix Hoffman obteve o ácido acetilsalicílico, um produto com

menos efeitos colaterais que começou a ser comercializado em 1900 pela Bayer, sob o nome de

aspirina. Vendem-se hoje, aproximadamente, 10 bilhões de comprimidos por ano. (Figura 19.2).

Embora a aspirina alcançasse uma popularização extraordinária, o seu modo de ação

permaneceu desconhecido por muito tempo. Isso não impediu que fosse utilizada pelos astronautas

da Apolo I, durante o primeiro voo à lua, em 1969.

Dois anos mais tarde descobriu-se que a ligação entre o ácido acetilsalicílico e algumas enzimas

dificulta a síntese de prostaglandinas, um grupo de substâncias produzidas naturalmente, durante as

infecções ou na ocasião de ferimentos, que tornam os nervos mais sensíveis à dor. Por impedir a

agregação das plaquetas, a aspirina também ajuda a prevenir problemas de coagulação sanguínea e

ataques cardíacos.

5.000 compostos 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

Anos

5 compostos

1 composto

Descoberta Fase pré-clínica

Testes clínicos

Procedimentos administrativos

BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 19: Biotecnologia e saúde - Medicamentos

231

OS FITOTERÁPICOS

Até o momento, foram identificadas mais de 50.000 espécies de plantas medicinais. Para a

população mais pobre, muitas delas representam a única fonte de tratamento acessível.

Também são utilizadas por outra parcela da população, adepta das medicinas alternativas e do

consumo de medicamentos fitoterápicos tradicionais, considerados mais suaves e com menos efeitos

colaterais. Nessa corrente de pensamento, o “natural” é percebido como bom, admitindo-se que o

extrato vegetal seja mais eficiente que alguma de suas partes (princípio biologicamente ativo).

Os fitoterápicos são produtos relativamente baratos, de venda livre e com poucas

oportunidades de patentes. Contudo, sua eficácia varia com as condições de cultivo das plantas, já

que a síntese das substâncias ativas depende do solo, da estação e até do momento do dia. Outras

limitações importantes são a falta de conhecimento sobre os efeitos secundários, a ausência de

estudos clínicos em grande escala e a carência de controles de qualidade estritos.

A promoção da medicina tradicional pela WHO (World Health Organization), enunciada na

declaração de Alma-Ata (1978) sobre a atenção primária a saúde, marca uma mudança de atitude em

relação aos fitoterápicos. A partir de 1990, o uso dos fitoterápicos aumentou significativamente,

estimando-se que o mercado global seja de US$ 62 bilhões por ano.

Com a publicação de um manual relativo ao controle de qualidade dos materiais extraídos das

plantas medicinais (WHO, 1998) e o estabelecimento de diretrizes gerais sobre metodologias de

pesquisa e avaliação das medicinas tradicionais (WHO, 2000), o mercado dos fitoterápicos entra em

uma nova etapa.

AS NOVAS TECNOLOGIAS

Em uma linha totalmente diferente perfilam-se as grandes empresas de produtos farmacêuticos. A

descoberta recente de algumas substâncias antitumorais (taxol, vinblastina, vincristina etc.) de

origem vegetal estimulou a procura por princípios ativos em plantas, animais e microrganismos,

especialmente em regiões de grande biodiversidade.

Contudo, as opiniões não são unânimes em relação a possíveis e eventuais descobertas de

moléculas com aplicações terapêuticas. Algumas empresas farmacêuticas consideram que, em quase

duzentos anos de prospecção, já teriam sido descobertos praticamente todos os princípios ativos de

interesse, e preferem passar ao desenho de medicamentos por química combinatória e modelos

computacionais. Outras ponderam que é na diversidade dos microrganismos e das plantas que

devem ser procuradas novas moléculas, porque ainda existiriam numerosas fontes de princípios

ativos desconhecidos na flora tão diversa como mal estudada de muitas regiões.

FIGURA 19.2: A fórmula da aspirina.

COOH COOH OH O-CO-CH3 Ácido salicílico Ácido acetilsalicílico


232

Na última década, verificaram-se mudanças enormes no campo da pesquisa de produtos

naturais, graças à disponibilidade de tecnologias baseadas na robótica e na automação dos ensaios

biológicos.

A análise das substâncias químicas (alcaloides, terpenos, esteroides, glicosídeos etc.) presentes

em uma planta ou em seu extrato depende de técnicas analíticas automatizadas e de bancos de

dados nos quais armazenar os dados (Chemical Fingerprint). A robotização permite realizar ensaios

de atividade biológica de até 200.000 produtos por dia (HTS, do inglês, high throughput systems). Por

outro lado, os estudos quimioinformáticos estabelecem correlações entre estrutura e atividade,

através de métodos estatísticos.

Uma vez identificado um princípio ativo, suas características farmacológicas poderão ser

melhoradas mediante transformações químicas, chegando-se a substituir uma molécula natural por

outra sintética equivalente ou ligeiramente modificada.

A IMPORTÂNCIA DE UM MARCO LEGAL

Nos países que contam com uma biodiversidade importante discute-se como desenvolver os estudos

de bioprospecção e qual o papel que deveria ser desempenhado pelas instituições, nacionais e

estrangeiras, e pelas empresas farmacêuticas. O risco de biopirataria é real. No século XIX plantas de

seringueira foram levadas de modo sub-reptício da Amazônia à Malásia. O captopril, um

medicamento derivado do veneno da cobra Bothrops, é hoje importado pelo Brasil em uma versão

sintética.

Na Costa Rica, o InBio (Instituto Nacional de Biodiversidade) negociou, a partir de 1991, acordos

de bioprospecção no valor de US$ 1 milhão com a Merck, e mais tarde com outras empresas

farmacêuticas. Estes acordos contribuíram para aumentar a capacitação do país desde vários pontos

de vista: científico, tecnológico e institucional. No entanto, apesar de ter encontrado várias

moléculas promissoras, até o momento nenhuma delas originara um medicamento novo.

Aproximadamente na mesma época teve início um programa de prospecção de agentes

bioativos em terras áridas da América Latina. O programa envolveu instituições norte-americanas

(Universidade do Arizona, National Institute of Health [NIH], United States Department of Agriculture

[USDA]), argentinas (Instituto Nacional de Tecnologia Agropecuária [INTA], Universidad de la

Patagonia), chilenas (Pontificia Universidad Católica de Chile) e mexicanas (Universidad Nacional

Autónoma de México). Os resultados das pesquisas desenvolvidas durante oito anos estão

armazenadas em um banco de dados.

As numerosas críticas levantadas por estas e outras iniciativas como o convênio Novartis-

Fundação Bio-Amazônia (2000) mostram as dificuldades em estabelecer normas de trabalho dentro

do marco legal para a proteção da biodiversidade, respeitando a Convenção da Diversidade Biológica

(1992).

FIGURA 19.3. A fórmula da penicilina.

Na fórmula da penicilina pode-se observar um anel -lactâmico e uma cadeia lateral (R). Algumas bactérias

sintetizam -lactamases, enzimas que, ao destruir o anel correspondente, desativam as penicilinas naturais. Modificando a cadeia lateral, obtiveram-se as penicilinas semissintéticas, resistentes a essas enzimas.


233

AS SUBSTÂNCIAS ANTIBIÓTICAS

O CASO DA PENICILINA

Até a Segunda Guerra Mundial, as únicas armas disponíveis na luta anti-infecciosa eram umas poucas

vacinas e antitoxinas. No início do século XX fora descoberto, no laboratório de Paul Ehrlich, um

derivado do arsênico para o tratamento da sífilis. Comercializado em 1910 pela empresa Hoechst, o

Salvarsan resultou em um terrível fracasso por duas razões: era tóxico e devia ser injetado, em uma

época em que não existiam seringas. Os primeiros inibidores bem sucedidos do crescimento

microbiano foram as “sulfas”, derivados da sulfonamida, no final da década de 1930.

Em 1928, o bacteriologista Alexander Fleming observou que, em um cultivo de estafilococos

semeado em uma placa de Petri e contaminado por um fungo, as bactérias não cresciam ao redor do

contaminante. Além de isolar, cultivar e identificar esse fungo como sendo o Penicillium notatum,

Fleming conseguiu extrair uma substância, a penicilina, e testá-la em animais.

A penicilina revelou-se um antisséptico eficaz que, não sendo tóxico nem causador de irritação,

podia ser aplicado ou injetado em doses maciças. Este resultado não teve repercussão alguma na

comunidade científica.

Durante quase 10 anos, Fleming tentou, sem sucesso, obter penicilina em estado puro. Em

1940, nos laboratórios da Universidade de Oxford, H. Florey e E. Chain obtiveram um sal sódico de

penicilina com baixo grau de pureza (Figura 19.3). Este produto teve um efeito extraordinário nos

primeiros ensaios clínicos, mas a quantidade disponível resultou pequena para o seu uso terapêutico.

Com o objetivo de iniciar sua produção em grande escala, Florey e Chain transferiram-se em

1941 para Peoria (Illinois, Estados Unidos), onde a participação da indústria farmacêutica (Pfizer,

Merck) foi decisiva para o sucesso da tarefa. Dois fatores possibilitaram a produção industrial de

penicilina.

O primeiro, a descoberta em um melão podre de uma linhagem de Penicillium chrysogenum,

capaz de produzir 200 vezes mais penicilina que a linhagem original. O segundo foi o aumento da

produtividade, que passou de 50 mg/l a 50-100g/l, mediante a substituição do cultivo em garrafas

pelo cultivo submerso em biorreatores, com capacidade entre 40.000 e 200.000 litros.

Graças a essas mudanças, as forças aliadas dispuseram de suficiente penicilina para o

tratamento dos soldados feridos na invasão da Europa, em 1944.

OS LIMITES AO USO DE ANTIBIÓTICOS

Após o sucesso da penicilina, começou a triagem de outros antibióticos nos microrganismos do solo,

um ambiente muito competitivo onde essas substâncias conferem uma vantagem seletiva. Assim,

descobriram-se a actinomicina, a neomicina e a estreptomicina, esta o primeiro antibiótico eficiente

para o tratamento da tuberculose. Um pouco mais tarde os antibióticos de amplo espectro, como o

cloranfenicol, a aureomicina e a terramicina, entraram no mercado.

Paralelamente, a indústria procedeu ao aprimoramento dos métodos de extração e de

purificação, assim como da pesquisa de formas moleculares alternativas que facilitassem sua

utilização na atividade clínica. Além de produtos de origem natural (antibióticos), hoje contamos com

outros de origem sintética (antibacterianos). O cloranfenicol, extraído de Streptomyces venezuelae,

também é produzido por síntese química.

A descoberta de novos produtos (eritromicina, vancomicina, ampicilina, meticilina,

cefalosporina) possibilitou a cura de doentes e feridos para os quais, meio século atrás, a medicina

não tinha tratamento.


234

Contudo, o tempo mostrou o outro lado da moeda. O uso clínico indiscriminado de antibióticos

favoreceu a aparição de linhagens resistentes que se espalharam rapidamente.

Os antibióticos agem de diversos modos, mas sempre alvejando algumas poucas funções vitais

da célula, tais como a síntese da parede celular, dos ácidos nucleicos, das proteínas ou do ácido

fólico. Para cada alvo atingido, aparece uma forma específica de resistência. O anel -lactâmico das

penicilinas e cefalosporinas é desativado mediante a síntese de -lactamases. A inibição da síntese

proteica pela estreptomicina desaparece com uma modificação do sítio-alvo no ribossomo. A

tetraciclina é bombeada para fora das células se houver uma alteração da permeabilidade celular.

Por outro lado, a transferência horizontal de plasmídeos pode disseminar a resistência múltipla às

drogas.

De fato, nessa corrida sem fim entre a utilização de antibióticos e a aparição de microrganismos

resistentes, novos medicamentos deverão ser descobertos, se quisermos manter alguma vantagem

sobre as bactérias.

A NECESSIDADE DE INOVAÇÃO

As principais classes de antibióticos foram descobertas entre 1940 e 1962. Posteriormente,

passaram-se várias décadas sem grandes inovações neste campo, até a chegada das oxazolidinonas,

que são moléculas bloqueadoras da síntese de proteínas bacterianas (Tabela 19.1).

Existem muitas substâncias com propriedades antibióticas, mas poucas são interessantes do

ponto de vista clínico. Devido às dificuldades encontradas em descobrir moléculas novas, e para

contornar a aparição de resistência, a indústria investiu nas chamadas Me-too-Drugs, isto é,

substâncias iguais com pequenas modificações químicas.

Por outro lado, o vencimento de muitas das patentes possibilitou o aparecimento das formas

genéricas de alguns dos antibióticos mais difundidos, como o Augmentin (amoxacilina/clavulanato)

ou o Cipro (ciproflaxin).

Nos últimos anos, muitas empresas abandonaram o mercado para atender o setor bem mais

lucrativo das doenças crônicas. Não obstante, cinco das maiores ainda continuam produzindo

antibióticos: Abbott, Novartis, AstraZeneca, Merck, Pfizer e Johnson & Johnson. Outras firmas novas

ocuparam o espaço vacante, como Basilea Pharmaceutica LTd., que lançou o Ceftobiprole, uma

cefalosporina de quinta geração, eficaz contra os MRSA (do inglês, meticillin-resistent Staphylococcus

aureus) e outros supermicróbios.

TABELA 19.1. A linha do tempo de entrada dos antibióticos e antibacterianos no mercado.

ANTIBIÓTICOS E ANTIBACTERIANOS DATA

Sulfonamidas (Sulfas) 1936

Β-lactâmicos 1940

Cloranfenicol, tetraciclinas 1949

Aminoglicosídeos 1950

Macrolídeos 1952

Quinolonas, estreptograminas 1962

Oxazolidinonas 2000

Lipopeptídeos 2003

Glicilciclinas 2005

Mutilinas 2007


235

Os antibióticos representam 65% do mercado de medicamentos anti-infecciosos, que inclui

também os antivirais e os antifúngicos. Estima-se que, em 2015, o volume global de vendas de anti-

infecciosos alcance os US$ 40 bilhões.

Atualmente, existem várias estratégias para o desenvolvimento de novos antibióticos. Podem-se

procurar compostos ou extratos naturais com atividade inibitória do crescimento de microrganismos,

em sistemas robotizados para triagens de alto desempenho (HTS, high-throughput screening). Ou

pesquisar os peptídeos naturais, produzidos por seres vivos terrestres e marinhos, e incrementar sua

ação antibiótica mediante alterações na estrutura molecular. A construção de peptídeos sintéticos

por química combinatória também é uma alternativa interessante.

Em outra linha de ação está a procura, no metabolismo do hospedeiro, de algum alvo que

impeça a infecção. Os novos métodos in silico possibilitam a triagem de estruturas moleculares

relacionadas com uma atividade biológica determinada, assim como a utilização dos dados

genômicos para identificar um alvo medicamentoso. Esta estratégia pareceria ser mais interessante

com bactérias que com vírus.

No entanto, é provável que o sucesso no desenho de produtos novos dependa da genômica

comparativa e funcional dos microrganismos, uma disciplina capaz de esclarecer a função dos genes

e de mostrar quais os alvos que poderiam ser atacados. Centenas de genomas bacterianos já têm

sido sequenciadas.

O caminho está sendo trilhado por algumas pequenas empresas biotecnológicas, apesar de ser

muito difícil enfrentar a etapa dos testes clínicos, que demanda inversões estimadas em US$ 150-200

milhões, valores altíssimos que só podem ser cobertos pelas grandes empresas farmacêuticas.

Estima-se que os antibióticos baseados na genômica estejam disponíveis na próxima década.

AS PRIMEIRAS MOLÉCULAS TERAPÊUTICAS

O CASO DA INSULINA

A insulina é um hormônio, isto é, um mensageiro químico, que é produzido no pâncreas e regula o

metabolismo do açúcar (glicose) no corpo (Figura 19.4). Quando a insulina secretada pelo pâncreas

baixa, o nível de glicose no sangue aumenta e passa a ser excretada na urina, arrastando muita água

e causando sede excessiva.

As complicações resultantes incluem nefropatias, retinopatias, neuropatias e doenças

cardiovasculares. O quadro descreve o diabetes mellitus, uma doença conhecida há séculos e que

hoje pode ser tratada.

Em 5 a 10% dos casos, a falta de insulina é consequência da destruição das células do pâncreas

pelo sistema imune. Trata-se de uma forma da doença que ataca crianças e adolescentes (diabete de

tipo 1). Nos casos restantes, as pessoas precisam de mais insulina da que produzem (diabete de tipo

2). Esta forma costuma se manifestar em pessoas mais velhas, com sobrepeso, inativas e com uma

história familiar. O tratamento envolve dieta e exercícios moderados, além de medicamentos, entre

os quais, eventualmente, a insulina.


236

mRNA de insulina Molécula precursora Pró-insulina Insulina

FIGURA 19.4. A estrutura da molécula de insulina humana.

Cadeia B

Cadeia A

FIGURA 19.5. A síntese da insulina.

A) A síntese in vivo da insulina, nas células pancreáticas. Peptídeo sinal Tradução Remoção do sinal e Remoção união das cadeias A e B da cadeia C

B) A síntese em Escherichia coli (1982).

Um organismo procarionte é incapaz de realizar modificações pós-traducionais. É possível sintetizar pró-insulina para transformá-la enzimaticamente em insulina, ou sintetizar cada uma das cadeias em separado e associá-las mais tarde, como ilustrado no esquema.

Síntese da cadeia A Inserção no plasmídeo Extração da cadeia proteica A e clonagem em E.coli Síntese da cadeia B Inserção no plasmídeo Extração da cadeia proteica B e clonagem em E.coli

União química das cadeias A e B

Insulina


237

Em 1920, F. Banting comprovou o efeito hipoglicemiante de extratos de pâncreas de cachorro. Logo

depois, deu-se início à comercialização de insulina extraída de pâncreas bovinos e porcinos. Essas

insulinas animais salvaram numerosas vidas, mas, por diferir da insulina humana em alguns

aminoácidos, acabavam causando reações alérgicas.

Do ponto de vista da estrutura química, as diferenças são pequenas. A molécula de insulina

humana consta de 51 aminoácidos distribuídos em duas cadeias unidas entre si por pontes

bissulfeto. A insulina bovina difere da humana nas posições 8 e 10 da cadeia A e na posição 30 da

cadeia B, mas a insulina porcina só difere na posição 30 da cadeia B.

O tamanho da molécula de insulina torna a síntese química economicamente inviável (Figura

19.4 A). Contudo, basta substituir um aminoácido (alanina) por outro (treonina) na extremidade de

uma das cadeias da insulina suína para que a sequência molecular passe a ser a mesma da insulina

humana. Esta insulina semissintética representou um enorme progresso em relação às insulinas

animais, apesar de permanecerem alguns problemas relacionados com a obtenção da matéria-prima

e o tratamento de resíduos.

A tecnologia do DNA recombinante revolucionou a produção de insulina humana porque

possibilitou sua síntese em microrganismos geneticamente modificados: primeiro em Escherichia coli

(Eli Lilly, 1982), mais tarde em leveduras (Novo, 1987). Por ser um produto mais estável e de melhor

qualidade que os existentes no mercado, a insulina recombinante representa um dos primeiros e

indiscutíveis sucessos da biotecnologia (Figura 19.5 A e 19.5 B).

A SUBSTITUIÇÃO DO PRODUTO NATURAL

Seja por influência de fatores genéticos, ambientais ou culturais, ou também pela existência de

melhores métodos de diagnóstico, milhões de pessoas no mundo inteiro dependem hoje de injeções

regulares de insulina.A incidência da diabete de tipo 2 está aumentando em crianças e adolescentes,

em alguns grupos étnicos que adotaram modos de vida e de alimentação diferente e, também, nas

populações urbanas de migrantes. E, segundo as estimativas, em 2025 o número de diabéticos

poderia chegar a 300 milhões.

As insulinas humanas, recombinante e semissintética, substituíram as insulinas mistas (boi,

porco) que, no entanto, permanecem no mercado a um preço inferior. Algumas inovações, como o

grau de pureza e o tempo de reação são de grande importância para a eficácia do tratamento.

Nos próximos anos, o mercado passará por reformulações, ao expirar algumas patentes e serem

disponibilizadas insulinas não injetáveis, administradas oralmente ou por inalação.

Atualmente, a produção de insulina humana recombinante se concentra em três grandes

conglomerados farmacêuticos: Eli Lilly, Novo Nordisk e Aventis (uma fusão de Hoechst e Rhône

Poulenc).

No Brasil, a Novo Nordisk absorveu recentemente a área de produção da Biobrás, uma empresa

brasileira que durante mais de 20 anos abasteceu de insulina grande parte do mercado latino-

americano. Uma nova firma (Biomm) conservou a patente para a insulina humana, desenvolvida

anteriormente pela Biobrás. Encontram-se em andamento vários projetos visando reiniciar a

produção nacional de insulina (Biomm e União Química; Farmanguinhos). Na Argentina, a insulina

humana recombinante está sendo produzida por Laboratórios Denver Farma.


238

TABELA 19.2. Alguns biofármacos de interesse médico.

Fonte: Nature Biotechnology, 2003, vol. 21, nº8, em Porque Biotecnologia, Cuaderno n049

PRODUTO SISTEMA DE PRODUÇÃO INDICACÃO TERAPÊUTICA

FATORES DE COAGULAÇÃO

Fator VIII Cultivo de células de mamífero Hemofilia A

Fator IX Cultivo de células de mamífero Hemofilia B

Fator VIIa Cultivo de células de mamífero Certas formas de hemofilia

ANTICOAGULANTES

Fator ativador de plasminogênio Cultivo de células de mamífero Infarto de miocárdio

Fator ativador de plasminogênio Escherichia coli Infarto de miocárdio

Hirudina Leveduras Trombocitopenia e prevenção de trombose

HORMÔNIOS

Insulina Leveduras Diabetes mellitus

Escherichia coli

Hormônio de crescimento Escherichia coli Deficiência do hormônio em crianças, acromegalia, síndrome de Turner

Hormônio folículo-estimulante Cultivo de células de mamífero Infertilidade, anovulação e superovulação

Hormônio paratiróideo Escherichia coli Osteoporose

Gonadotrofina coriônica Cultivo de células de mamífero Reprodução assistida

Tirotrofina Cultivo de células de mamífero Detecção /tratamento de câncer de tireóide

Hormônio luteinizante Cultivo de células de mamífero Algumas formas de infertilidade Calcitonina Escherichia coli Doença de Paget

Glucagon Leveduras Hipoglicemia

FATORES HEMATOPOIÉTICOS

Eritropoietina (EPO) Cultivo de células de mamífero Anemia

Fator estimulante de colônias de granulócitos/macrófagos (GM-CSF)

Escherichia coli Neutropenia, transplante autólogo de medula

Interferon e interleucinas

Interferon alfa (IFN alfa) Escherichia coli Hepatite B e C, diferentes tipos de câncer

Interferon beta (IFN beta) Cultivo de células de mamífero Esclerose múltipla

Interferon gamma (IFN gamma 1b)

Escherichia coli Granulomatose crônica

Interleucina 2 (IL-2) Escherichia coli Câncer de rim

VACINAS

Hepatite B Leveduras Imunização contra a hepatite B

Hepatite A Leveduras Imunização contra a hepatite A

Doença de Lyme Escherichia coli Imunização contra a doença de Lyme

ANTICORPOS MONOCLONAIS RECOMBINANTES

Anti-IgE (recombinante) Cultivo de células de mamífero Asma

Anti-TNF (recombinante) Cultivo de células de mamífero Artrite reumatoide

Anti-IL2 Cultivo de células de mamífero Prevenção da rejeição aguda do transplante de rim

OUTROS PRODUTOS RECOMBINANTES

Proteína morfogênica do osso-2 Cultivo de células de mamífero Fratura de tíbia

Galactosidase Cultivo de células de mamífero Doença de Fabry (deficiência de α-galactosidase)

Iaronidase Cultivo de células de mamífero Mucopolissacaridose Proteína C Cultivo de células de mamífero Sepse severa

β-glucocerebrosidase Escherichia coli Doença de Gaucher

DNAse Cultivo de células de mamífero Fibrose cística


239

AS PROTEÍNAS RECOMBINANTES

AS BASES TECNOLÓGICAS

O tamanho das proteínas de uso terapêutico é 100 vezes maior que o das moléculas presentes nos

medicamentos convencionais. Os métodos extrativos fornecem quantidades mínimas que não

chegariam nunca a satisfazer a demanda do mercado, de modo que a produção dessas proteínas

seria inviável sem a tecnologia do DNA-recombinante.

A rápida incorporação das novas tecnologias nos métodos de produção facilitou, já na década de

1980, a obtenção de insulina e de interferon mediante bactérias e leveduras modificadas

geneticamente, cultivadas em biorreatores. Em alguns casos, os microrganismos foram substituídos

por células animais que, apesar de mais difíceis de cultivar, são capazes de levar a cabo as

modificações pós-traducionais indispensáveis.

Com o objetivo de aumentar a produtividade e diminuir os custos, foram construídos plantas e

animais transgênicos (vacas, cabras, ovelhas etc.) para uma centena de proteínas de tipo

recombinante, muitas das quais se encontram já na fase de testes clínicos. O primeiro anticoagulante

extraído do leite de uma cabra transgênica entrou no mercado em 2009 (Atryn, GTC

Biotherapeutics).

A hostilidade da sociedade com as plantas e alimentos transgênicos não existe em relação aos

animais transgênicos e os medicamentos. O princípio de equivalência, contencioso no setor de

agroalimentos, é totalmente aceito em relação aos novos medicamentos. Uma atitude contraditória

que nos incita à reflexão.

OS PRODUTOS E SUAS UTILIZAÇÕES

As proteínas terapêuticas cumprem diversas funções (Tabela 19.2). Algumas substituem ou

complementam moléculas naturais: hormônios, interferons, interleucinas, fatores estimuladores do

crescimento celular, fatores de coagulação sanguínea, enzimas.

Outras são produtos especialmente desenhados para cumprir uma função medicamentosa:

trombolíticos (tPA ou fator ativador de plasminogênio, estreptoquinase, uroquinase), anticorpos

monoclonais e antígenos bacterianos para vacinas.

Utilizam-se fundamentalmente nas áreas médicas de hematologia, oncologia, diabetes e

endocrinologia, artrite, inflamação, doenças imunes e doenças genéticas lisossômicas (Gaucher,

Hurler, Fabry, Pompe).

A INDÚSTRIA BIOTECNOLÓGICA

Estima-se que o mercado global de produtos biotecnológicos será de US$ 103 bilhões em 2014, o que

representa pouco mais da décima parte do mercado farmacêutico mundial. Mais de 300 proteínas

aprovadas e muitas outras em testes clínicos indicam um mercado em crescimento, do qual o setor

mais dinâmico é o dos anticorpos monoclonais, com uma previsão de mais de US$ 79 bilhões em

2015.

Em função dos avanços nos estudos genômicos, muitos outros biofármacos serão descobertos e

patenteados nos próximos anos. Os imensos bancos de dados e as técnicas de triagem assistidas por

computador permitirão diminuir o tempo necessário para os estudos experimentais.


240

Vários dos biofármacos líderes de vendas são anticorpos terapêuticos (Tabela 19.3). A maioria se

destina principalmente à oncologia e ao tratamento de artrite e outras doenças imunes e

inflamatórias. Contudo, existe pelo menos um que permite a obtenção de imagens, e outro em que a

molécula se encontra acoplada a uma toxina que destrói a célula cancerosa. Quase uma centena se

encontra na fase final do processo de aprovação.

Na América Latina existe uma indústria farmacêutica que fabrica medicamentos para consumo

interno e para exportação, destacando-se Argentina, Brasil, Cuba e México. Os principais produtos

biotecnológicos são os anticoagulantes (eritropoietina), os hormônios, os interferons (α e β) e os

fatores estimuladores do crescimento celular.

A Argentina conta com um setor farmacêutico sólido e competitivo. Várias proteínas

recombinantes são produzidas localmente, por três empresas biotecnológicas nacionais (Bio Sidus,

PC-gen, Zelltek) que vendem seus produtos através de suas empresas farmacêuticas

correspondentes (Sidus, Pablo Cassará) e as exportam para diversos países de Ásia, Oriente e

América Latina. Uma empresa estrangeira, Sanofi, produz vacinas contra a hepatite B.

Bio Sidus obteve sucesso com seu tambo farmacéutico, pequenos rebanhos de vacas

transgênicas produtoras de hormônio de crescimento, de insulina ou de leite maternizado, um

empreendimento que irá sem dúvida lhe garantir uma posição de destaque no setor produtivo.

TABELA 19.3. As principais proteínas terapêuticas comercializadas atualmente.

NOME GENÉRICO NOME COMERCIAL EMPRESAS

α e β Eritropoietina Epogen, Epogin, Procrit, Eprex, NeoRecormon, Aranesp

Amgen, Johnson & Johnson, Roche, Kirin, Sankyo

α e β Interferon PEG Íntron, Pegasys Avonex, Rebif, Betaseron,

Schering Plough, Roche, Biogen Idec, Serono, Schering AG, Chiron

Insulina Humana Novulin, Humalin, Humalog Novo Nordisk, Lilly

Granulócitos - Fator estimulante do crescimento de colônias G-CSF

Neupogen, Neulasta Amgen, Roche, Schering

Rituximab Rituxan Roche

Etarnecept Enbrel Amgen, Wyeth

Infliximab Remicade Johnson & Johnson

Trastuzumab Herceptin Roche

Hormônio de crescimento Serostim, Saizen, Humatrope, Protopin, Neutropin

Serono, Biogen Idec, Roche, Novo Nordisk, Akzo Nobel, Lilly

Palivizumab Synagis MedImmune

Hormônio folículo estimulante FSH Gonal F, Folistim Serono, AkzoNobel

Glucocerebrosidase Cerezyme, Ceradase Genzyme

Adalimumab Humira Abbott

Fator VII Novo Seven Novo Nordisk

Toxina botulínica Botox Allergan

Bevacizumab Avastin Genentech, Roche


241

O Laboratório Pablo Cassará é outra empresa tradicional que proximamente irá colocar no mercado

uma nova vacina em duas doses contra a hepatite B e, recentemente, obteve uma enzima

recombinante capaz de reparar as lesões causadas pela exposição aos raios X. Ambas as empresas

distribuem seus produtos no Brasil.

Diferente da Argentina, no Brasil as empresas públicas como Farmanguinhos e Instituto Butantã

tem um papel determinante na produção de medicamentos, destacando-se respectivamente na

produção de retrovirais e de eritropoietina. Contudo, depende-se ainda da importação de

biofármacos, alguns dos quais são inclusive distribuídos pelo Sistema Único de Saúde (eritropoietina,

imunoglucerase, infliximab, interferon, somatotropina recombinante humana). Acordos de

transferência de tecnologia para 25 produtos, envolvendo laboratórios nacionais (públicos e

privados) e estrangeiros, visam reverter essa dependência.

No México, a empresa ProBioMed tem desenvolvido com o setor universitário uma dezena de

proteínas recombinantes (anticoagulantes, interferons, fatores estimuladores do crescimento

celular) para uso interno e exportação para outros países de América Central e América do Sul.

Outros laboratórios (Silanes, Bioclón) têm se destacado na produção de antitoxinas.

Cuba tem registrados numerosos produtos biotecnológicos, desenvolvidos por Centros de

Pesquisa (Centro de Inmunología Molecular, Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología, Centro

Nacional de Biopreparados e Instituto Finlay) e comercializados por empresas farmacêuticas

associadas (Heber Biotec, CIMAB etc.).

Hoje Cuba produz 11 vacinas, mais de 40 moléculas terapêuticas e vários sistemas de

imunodiagnóstico. Esses produtos renderam aproximadamente 900 patentes no exterior e são

exportados para 40 países. Assim como o níquel, o tabaco e o açúcar, a biotecnologia é um dos

principais produtos de exportação da ilha.

OS MEDICAMENTOS PERSONALIZADOS

A FARMACOGENÔMICA

O mapeamento do genoma foi o primeiro passo para o desenvolvimento de novos produtos e ações

terapêuticas, um terreno onde se afirma a farmacogenômica, uma disciplina nova que visa identificar

as diferenças genéticas associadas a diversas doenças.

Dado que os seres humanos compartilham 99,9% do genoma, as variações entre eles devem ser

procuradas no 0,1% restante, quer dizer, entre os 30 milhões de polimorfismos de um único

nucleotídeo ou SNPs (do inglês, single nucleotide polymorphisms). Trata-se de variações de uma base

a cada 1.000 nucleotídeos, distribuídas ao longo do genoma. As mais interessantes são as que

ocorrem dentro de um gene ou em uma região reguladora.

O estudo de cada um desses SNPs está além das capacidades tecnológicas atuais, mas sabendo

que dois pontos que se encontram muito próximos no cromossomo tenderão a ser transmitidos

juntos, pode-se dividir o cromossomo em blocos de aproximadamente 10.000 bases (haplótipos) e

caracterizá-los por alguns dos SNPs de cada bloco (Figura 19.6). Este é o objetivo do International

HapMap, recentemente concluído e baseado no genoma de pessoas de origem europeia, asiática e

africana.

A importância do mapeamento do genoma foi claramente percebida pelas empresas

farmacêuticas. Antes de se completar o sequenciamento, algumas das grandes empresas

farmacêuticas (Glaxo Wellcome, Novartis) começaram a compilar informações sobre os genes que

podiam ser associados a doenças e a localizar SNPs dentro de alguns genes previamente

selecionados.


242

FIGURA 19.6. Os fundamentos do projeto internacional HapMap..

Os SNPs são variações de uma base na sequência do DNA. Basta a presença de dois SNPs em um segmento de DNA para conseguir diferenciar três indivíduos.

Indivíduo 1. A...C...A...T...G...T

T...G...T...A...C...A

Indivíduo 2. A...C...A...G...G...T

T...G...T ...C...C...A

Indivíduo 3. G...C...A...T...G...T

C...G...T...A...C...A

Considerando que as doenças devem ser estudadas no contexto evolutivo e histórico de uma

população, em 1999 a empresa americana deCode obteve da Islândia, por US$ 200 milhões, a

exclusividade para elaborar um gigantesco banco de dados incluindo os registros de saúde, as

genealogias e os perfis de DNA de seus habitantes. Povoada há 1.000 anos pelos viquingues e com

poucos contatos com outras populações, a Islândia (270.000 habitantes) conta com uma população

homogênea especialmente apta para este tipo de estudos.

O projeto suscitou controvérsia. Um acordo da deCode com a Hoffmann-La Roche visava

identificar os genes responsáveis por várias doenças. No caso de serem obtidos resultados positivos,

os habitantes de Islândia teriam direito, por cinco anos, à gratuidade nos medicamentos

desenvolvidos. Em função dos problemas éticos e legais levantados oportunamente, a empresa

enfrentou algumas dificuldades na construção de seu banco de dados de 140.000 islandeses.

Apesar de ter descoberto uma dezena de alvos medicamentosos, entre os quais proteínas

envolvidas em doença cardíaca, osteoporose e esquizofrenia, a empresa não obteve resultados

suficientemente rápidos para satisfazer os seus investidores. Em bancarrota, a empresa acabou

sendo vendida, em 2009, para a Saga Investments LLC e Illumina. Hoje, a nova deCode, chamada

deCODEme, comercializa testes diagnósticos e estudos genômicos. Devido a impedimentos legais, os

dados e as amostras biológicas não puderam ser vendidos e permanecem na Islândia.

Existem outros projetos na mesma linha de investigação, tais como Estonian Genome (Estonia),

Galileo Genomics (Canadá), Oxagen (Inglaterra), Rockefeller University (Micronésia), UK.Bank

(Inglaterra). Wellcome Trust Case Control Consortium encontrou 24 associações a 7 doenças (Crohn,

diabetes 1 e 2, doença cardiovascular, hipertensão, artrite reumatoide e transtorno bipolar).

A FARMACOGENÉTICA

Outra disciplina nova é a farmacogenética, que investiga, dentro da população, as diferenças

genéticas que permitem prever diferentes respostas a um medicamento. As reações adversas são

temidas tanto pelos consumidores como pelos médicos e a indústria farmacêutica, que se protege

mediante bulas cuidadosamente redigidas. Só nos Estados Unidos, as reações adversas causam

100.000 mortes e 2 milhões de hospitalizações por ano.


243

Os medicamentos passam por várias fases de estudos clínicos antes de chegar ao mercado.

Contudo, nem todas as pessoas reagem igualmente a um medicamento, de modo que este pode

resultar eficiente para uns e tóxico para outros. Por exemplo, aproximadamente 60% dos

medicamentos são metabolizados por uma família de enzimas (citocromo P450). Algumas pessoas os

degradam rapidamente, e outras não, dependendo de suas características enzimáticas individuais.

Sabendo a qual dos dois grupos pertence um paciente, pode-se determinar qual a dose do

anticoagulante que lhe deverá ser administrada, minimizando os efeitos adversos.

Quando ocorrem em uma frequência baixa, as reações adversas a um medicamento podem ser

detectadas unicamente a partir da terceira fase dos estudos clínicos, que envolvem entre 1.000 e

5.000 voluntários. Muitos medicamentos não conseguem superá-la, e houve casos em que tiveram

que ser retirados do mercado, mesmo após serem comercializados. É o caso do Vioxx (Merck), um

medicamento sumamente eficaz para a artrite e a dor, mas que aumentava o risco de ataques

cardíacos e derrames, tendo que ser descontinuado em 2004.

Associando marcadores genéticos a respostas diferenciais a medicamentos, pode-se dividir a

população em subgrupos e oferecer um tratamento “personalizado”. Atualmente, antes de iniciar

um tratamento de câncer de mama com a herceptina, deve-se realizar um teste genético na paciente

para saber se o medicamento se ajusta, ou não, ao seu caso.

Em pacientes HIV positivos, procura-se determinar a presença do alelo HLA-B*5701 antes de

iniciar o tratamento com abacavir, porque os portadores desse alelo podem ser hipersensitivos ao

medicamento.

O desenvolvimento da farmacogenética dará aos pacientes mais chances de receber a

medicação adequada, na dose certa. Por outro lado, as empresas farmacêuticas poderão escolher

seus voluntários para os testes clínicos no subgrupo apropriado, evitando que um produto novo seja

descartado por falta de resposta adequada. No futuro, em vez de um único produto campeão de

vendas, as empresas farmacêuticas poderão oferecer medicamentos diferentes, cada um dos quais

respondendo às expectativas de um tipo de consumidor.

O CUSTO DOS NOVOS MEDICAMENTOS

Estima-se que só 3% dos medicamentos desenvolvidos entre 1975 e 1999 foram dedicados ao

tratamento de doenças tropicais, e a metade fora incentivada pela Organização Mundial da Saúde.

Apesar das empresas farmacêuticas dedicarem algumas pesquisas às doenças negligenciadas dos

países em desenvolvimento, ainda faltam medicamentos adequados.

Do consumo mundial de medicamentos, 88% correspondem a um bloco de regiões formado por

América do Norte (49%), Europa (28%) e Japão (11%). Como a população destes países está

envelhecendo, os principais alvos para o desenvolvimento de medicamentos novos são as doenças

cardiovasculares, o câncer, as alterações respiratórias assim como outras doenças que afetam a

qualidade de vida (osteoporose, artrite, doenças de Parkinson e de Alzheimer).

A maioria das grandes corporações está instalada nos Estados Unidos, onde, além de seu

principal mercado, encontram uma legislação favorável. Na América Latina, o setor está dominado

pelas empresas internacionais e, salvo algumas exceções analisadas previamente (Bio Sidus,

ProBioMed, Heber Biotec), há poucos investimentos na pesquisa e no desenvolvimento de novos

produtos.

O custo dos medicamentos depende em grande parte dos investimentos da indústria

farmacêutica na pesquisa e desenvolvimento de novos produtos (US$ 800 milhões em 2002). O

tempo e o custo de desenvolvimento de um medicamento dependem da duração dos testes clínicos

e do uso da tecnologia (robótica, bioinformática, química combinatória, triagem de compostos

biológicos em alta velocidade, biochips e microarrays).


244

Para as grandes empresas farmacêuticas, uma medida do sucesso significa conseguir um

medicamento que alcance um valor de vendas de US$ 1 bilhão (blockbusters), o que não é fácil. Em

termos de pesquisa e desenvolvimento de medicamentos, qualquer doença que afete menos de

200.000 pessoas é desinteressante para a indústria, se esta não receber algumas compensações.

Nos Estados Unidos, o Orphan Drug Act (1983) garante incentivos financeiros às empresas

farmacêuticas que desenvolvam produtos para essas doenças. Também garante que, durante sete

anos, nenhum medicamento equivalente será aprovado, a não ser que se trate de outro que lhe seja

superior. Legislações equivalentes foram promulgadas em outros países (Japão, 1993; Austrália,

1998; Cingapura, 1999; União Europeia, 2000). Abre-se assim um campo no qual as empresas de

biotecnologia se inserem com sucesso, já que os seus produtos visam doenças de origem genética,

envolvendo alterações de receptores celulares, enzimas e proteínas estruturais.

PATENTES E GENÉRICOS

A patente sobre um medicamento confere à empresa que o desenvolveu o direito de exclusividade

sobre sua comercialização durante vinte anos. Ao vencer a patente de um medicamento, este se

torna de domínio público, podendo ser copiado e comercializado a um preço 30 a 50% menor. Isto

porque, além de sustentar os custos de pesquisa e desenvolvimento de um medicamento, uma boa

parte do orçamento das empresas farmacêuticas se dedica à propaganda e marketing de seus

produtos.

A partir do vencimento da patente, os medicamentos genéricos podem entrar no mercado.

Estes são produtos que contêm o mesmo princípio ativo e a mesma dose que o medicamento de

referência, assim como os mesmos efeitos terapêuticos. As grandes empresas farmacêuticas não

descuidam do mercado global de medicamentos genéricos, que chega a US$ 169 bilhões. No

entanto, a produção de genéricos é possível para qualquer empresa que domine as dificuldades

tecnológicas do processo produtivo.

Além de medicamentos de marca (inovadores), ou genéricos (com o mesmo princípio ativo e

bioequivalente ao inovador), na América Latina se comercializam medicamentos similares, isto é,

com o mesmo princípio ativo que o inovador, mas sem nenhuma garantia de bioequivalência. Estas

cópias geralmente foram lançadas no mercado na falta de uma lei de patentes ou anteriormente a

sua promulgação.

Os genéricos são identificados mediante uma denominação comum internacional, mas, em

alguns países, essa denominação é usada para os similares, confundindo o consumidor. Por

enquanto, o Brasil é o único com a exigência legal de aprovação dos testes de bioequivalência para

que um medicamento possa ser rotulado como genérico. A produção de sete antivirais genéricos

para o tratamento de HIV/AIDS por Farmanguinhos, com igualdade de preço, e a preferência destes

sobre os medicamentos de marca para sua compra e distribuição na rede pública de saúde

representam para o Brasil uma economia de mais de US$ 400 milhões por ano.

Em relação aos produtos biotecnológicos, proximamente estarão vencendo as patentes de

várias moléculas: -interferon, insulina humana, hormônio de crescimento, vacina contra a hepatite

B etc. Dado o custo que os novos medicamentos representam para os sistemas de saúde, cogita-se a

produção de genéricos de várias proteínas terapêuticas. Ainda que os Estados Unidos se mostrem

relutantes ao respeito, não se descarta que proximamente a União Europeia entre no mercado de

biomoléculas genéricas.

Admite-se que, em alguns casos, como situações de emergências nacionais, circunstâncias de

extrema urgência e práticas anticompetitivas, o uso de uma patente sem a autorização do detentor

do direito seja justificado.


245

Esta salvaguarda se encontra no Acordo sobre Aspectos dos Direitos de Propriedade Intelectual

Relacionados ao Comércio (TRIPS Agreement), da Organização Mundial do Comércio, vigente desde

1995. O artigo 31 assinala que o uso da patente sem autorização estaria justificado se tivessem sido

feitos os esforços para sua utilização em condições comerciais razoáveis.

Quando da ameaça terrorista de antraz, os Estados Unidos cogitaram quebrar a patente do

antibiótico Cipro. Nos países em desenvolvimento, o acesso aos medicamentos é considerado um

direito fundamental dos pacientes de HIV/AIDS, porém, apesar das longas discussões no marco da

Organização Mundial de Comércio, milhões de pessoas morrem anualmente por falta desses

medicamentos.


246


OS TRATAMENTOS NOVOS



A APROVAÇÃO DE UM TRATAMENTO EXPERIMENTAL

Assim como um medicamento novo, um tratamento passa por várias etapas antes de se constituir

em uma prática médica.

Os estudos pré-clínicos de um tratamento experimental compreendem as pesquisas

laboratoriais e a experimentação em animais, desenvolvidas em universidades ou empresas e

financiadas com dinheiro público e/ou privado. Os resultados desses estudos são revisados,

publicados e repetidos numerosas vezes pela comunidade científica, até que, em função da

quantidade de informação reunida, pareça razoável estender o procedimento ao ser humano.

Solicita-se então, por meio de um processo formal, autorização para dar início aos testes clínicos, que

fornecerão informações sobre a segurança, a eficácia e os efeitos colaterais desse tratamento

experimental.

Os ensaios ou testes clínicos seguem desenhos experimentais rigorosos e controles severos, que

garantem a confiabilidade dos estudos. Abrangem um número pequeno de participantes que

deverão assinar previamente um termo de consentimento informado, no qual reconheçam estarem

cientes das opções de tratamento e dos riscos, assim como de seus direitos e responsabilidades.

Durante os testes clínicos, o tratamento experimental pode se revelar melhor ou pior que os já

existentes. Se os resultados forem satisfatórios, será solicitada a aprovação da agência reguladora

correspondente (FDA, US Food and Drug Administration, nos Estados Unidos; EMA, European

Medical Agency, na União Europeia; ANVISA, Agência Nacional de Vigilância Sanitária, no Brasil;

ANMAT, Administración Nacional de medicamentos, Alimentos y Tecnología Médica, na Argentina).

Uma vez autorizado, o tratamento experimental passa a ser uma prática médica de uso geral.

Mesmo assim, para monitorar efeitos negativos que só possam ser detectados em uma população de

maior tamanho, o tratamento continuará a ser objeto de vigilância.

AS TERAPIAS BIOLÓGICAS

Os termos “terapia biológica” e “imunoterapia” se referem aos tratamentos que utilizam elementos

do sistema imune no combate às doenças.

As bases da imunoterapia foram estabelecidas na segunda metade do século XIX, com os

experimentos de E. Von Behring e S. Kitasato. Estes extraíram soro com antitoxina diftérica de um

animal infectado e o administraram em outro animal, inoculado previamente com toxina diftérica.

Obtiveram assim uma imunidade imediata, apesar de passiva e de curta duração. Estabelecidos os

princípios da soroterapia, esta constitui ainda hoje a principal arma de defesa disponível contra os

venenos de cobras e outros animais peçonhentos.

O progresso da engenharia genética permitiu a produção de proteínas recombinantes e,

consequentemente, de novas terapêuticas. No paciente de câncer, por exemplo, a atividade

imunológica é reforçada com citoquinas, moléculas moduladoras da comunicação celular, tais como

o -interferon e a interleuquina IL-2. A produção de elementos sanguíneos, afetada pelos

tratamentos quimioterápicos e/ou radioterápicos, é incrementada com fatores estimulantes do

crescimento celular (CSF, eritropoietina).


248

OS ANTICORPOS MONOCLONAIS

A chegada da tecnologia de hibridomas despertou grandes esperanças, porque se tencionava que os

anticorpos monoclonais cumprissem a função da mítica “bala mágica”, no reconhecimento do alvo.

Contudo, o sucesso chegou antes no campo das análises clínicas que no âmbito terapêutico.

Depois do muromonab CD3 (Orthoclone OK3), um anticorpo monoclonal que reduz a resposta

imune, evitando a rejeição aos transplantes, passaram-se vários anos antes que algum outro produto

recebesse a aprovação das agências reguladoras.

A razão para o impasse era técnica. Produzidos com células de roedores, os anticorpos

monoclonais eram reconhecidos como non-self pelos seres humanos, o que desencadeava a resposta

imune. A modificação e, eventualmente, a substituição de partes da molécula murina gerou

moléculas “quiméricas”, “humanizadas” e, mais tarde, “humanas”, em linhagens microbianas ou em

animais transgênicos. Uma vez solucionado esse problema, os anticorpos monoclonais entraram no

mercado.

TABELA 20.1. Os 10 anticorpos monoclonais de uso terapêutico, líderes de venda em 2010.

Adaptado de http://knol.google.com/k/krishan-maggon/top-ten-monoclonal-antibodies-2010/3fy5eowy8suq3/143#

NOME GENÉRICO (MARCA) EMPRESAS INDICAÇÕES VENDAS (2010) Em US$ BILHÕES

Infliximab (Remicade®) Johnson & Johnson

Merck

Mitsubishi Tanabe

Artrite reumatoide

Colite ulcerativa

Doença de Crohn

Psoríase

Artrite psoriática

Espondilose anquilosante

8.0

Bevacizumab (Avastin®) Roche Câncer de cólon 6.8

Rituximab (Rituxan®) Roche Linfoma não Hodgkins

Artrite reumatoide

6.7

Adalimumab (Humira®) Abbott Artrite reumatoide

Psoríase

Artrite idiopática juvenil

Artrite psoriática

Espondilose anquilosante

Doença de Crohn

6.5

Trastuzumab (Herceptin®) Roche Câncer de mama 5.5

Cetuximab (Erbitux®) BMS

Merck Serono

Câncer de cólon, cabeça e pescoço

3.2

Ranibizumab (Lucentis®) Novartis

Roche

Degeneração macular 3.1

Natalizumab (Tysabri®) Biogen Idec

Elan

Esclerose múltipla 1.75

Omalizumab (Xolair®) Roche

Novartis

Asma alérgica 1.1

Palivizumab (Synagis®) Astra Zeneca Vírus respiratório sincicial 1.0

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BIOTECNOLOGIA 2011 / Capítulo 20: Biotecnologia e saúde - Tratamentos novos

249

Existem atualmente no mercado diversos produtos imunoterápicos para a prevenção de

infecções virais, bloqueio de IgE (asma alérgico), inibição de inflamações (artrite reumatoide, doença

de Crohn, psoríase), tratamento de esclerose múltipla e outras doenças autoimunes (lúpus), diversos

tipos de câncer etc. Alguns estão associados a uma substância citotóxica (gemtuzumab ozogamicin –

Mylotarg®, de Wyeth), ou a um radioisótopo (Y-ibritumomab tiuxetan – Zevalin®, de Spectrum

Pharmaceuticals, Inc.).

Outras aplicações poderão ser encontradas, especialmente na luta contra as doenças

emergentes e o bioterrorismo. O anticorpo específico para o reconhecimento de um antígeno

determinado seria selecionado rapidamente, em livrarias de anticorpos monoclonais preexistentes,

por sistemas robotizados de alta eficiência.

O mercado global dos novos anticorpos monoclonais de uso terapêutico está em crescimento,

calculando-se que atinja US$ 79 bilhões em 2015. Dez anticorpos monoclonais são blockbusters,

alcançando níveis de venda superiores a US$ 1 bilhão, em 2010 (Tabela 20.1).

O principal entrave à popularização das terapias biológicas é o preço dos produtos.

Consideremos o caso do trastuzumab (Herceptin®), que reconhece e inativa o receptor de um fator

de crescimento, presente em algumas células tumorais. Trata-se do único anticorpo monoclonal

eficiente no combate aos tumores sólidos. O custo anual do tratamento de um paciente com

Herceptin® está estimado entre US$ 70.000 e US$ 100.000.

O CÂNCER COMO DOENÇA GENÉTICA

A palavra câncer designa um conjunto de mais de 100 doenças que podem se desenvolver em

qualquer órgão do corpo e que afetam a uma pessoa em oito da população. As terapias biológicas

são terapêuticas complementares aos tratamentos clássicos do câncer, que continuam sendo a

cirurgia, a quimioterapia e a radioterapia.

As células cancerosas são células que, evadindo os sinais de controle da divisão celular, se

dividem indefinidamente sem se diferenciar. Com a perda de alguns receptores da membrana

celular, essas células se separam das células vizinhas e se espalham pelo corpo. Aproximadamente

1% do genoma humano está relacionado com o desenvolvimento do câncer.

Na transformação de uma célula normal em cancerosa, participam dois tipos de genes: os proto-

oncogenes e os genes supressores de tumor. Os proto-oncogenes codificam proteínas que estimulam

a divisão celular, inibindo a diferenciação e detendo a apoptose ou “suicídio” celular. A mutação que

os transforma em oncogenes aumenta a síntese dessas proteínas, induzindo as células a se

multiplicar indefinidamente. Os genes supressores de tumores, que estimulam a autodestruição das

células que sofreram mutação, encontram-se alterados ou ausentes nas células cancerosas.

As mutações geram “antígenos específicos do tumor”, como as proteínas anormais dos genes

ras e p53, a elevação significativa da quantidade da enzima tirosinase ou a reaparição das proteínas

oncofetais (alfafetoproteína e antígeno carcinoembriogênico). Alguns dos “antígenos específicos do

tumor” se expressam exclusivamente no tumor de um único indivíduo, outros aparecem nas células

tumorais dos indivíduos afetados por determinado tipo de tumor. Em genes não associados

diretamente à formação tumoral, as mutações podem originar “antígenos associados ao tumor”, que

são utilizados como biomarcadores.

As mutações são ocasionadas por fatores ambientais (agentes químicos, radiação, vírus) ou

genéticos (hereditários ou adquiridos ao longo da vida). Quase sempre ocorrem nas células

somáticas, mas também acontecem nas células germinais. Algumas são pontuais, outras envolvem

rearranjos cromossômicos. Várias são necessárias para que a célula adquira as características

cancerosas. Embora o processo possa levar mais de 50 anos, as mutações herdadas (predisposição)

possibilitarão um desenvolvimento prematuro do câncer (Figura 20.1).


250

FIGURA 20.1. A transformação de uma célula normal em cancerosa por mutação (câncer de cólon).

FIGURA 20.2. O tratamento com sipuleucel-T (Provenge®).

A. Extração das células dendríticas

B. Incubação das células com Provenge®

C. Reinfusão das células modificadas no paciente (3 vezes com 2 semanas de intervalo)

Célula normal

1a mutação (gene APC)

2a mutação (gene ras)

3a mutação (gene DCC)

4a mutação (gene p53)

Célula cancerosa

Estímulo da resposta das células-T contra o antígeno tumoral PAP-GM-CSF e,

consequentemente, contra as células cancerosas

2 a 3 dias Células dendríticas

que incorporaram o antígeno tumoral

PAP-GM-CSF Células dendríticas

+ Provenge® (PAP-GM-CSF)

Leucoferese (3 horas)

Células dendríticas


251

AS VACINAS TERAPÊUTICAS

As vacinas profiláticas são aplicadas em indivíduos saudáveis para prevenir doenças. Dentro dessa

linha, existem vacinas contra alguns dos agentes virais que, sabidamente, estão relacionados com o

desenvolvimento do câncer. Trata-se das vacinas contra o vírus da hepatite B (VHB), associado ao

câncer de fígado, e contra o papilomavírus (VPH), responsável por 70% dos cânceres de útero

(Gardasil®, de Merck; Cevarix®, de GlaxoSmithKline). Essas vacinas cumprem uma ação preventiva.

Uma das primeiras terapias complementares do câncer, ainda usada atualmente, é a inoculação

com a vacina BCG (bacilo de Calmette e Guérin), para estimular no paciente uma reação imunológica

de tipo celular, que se estende às células cancerosas.

As vacinas terapêuticas visam o tratamento dos indivíduos que já estão doentes. O objetivo é

estimular diretamente a resposta imune do organismo, para que este possa eliminar as células

cancerosas. Apesar da enorme quantidade de procedimentos possíveis, todos são experimentais.

Uma possibilidade é a aplicação de vacinas de antígenos sintéticos, específicos ou associados ao

tumor. Um dos principais problemas reside na escolha dos antígenos que deveriam entrar na

composição da vacina, pois se alguns são comuns a vários tipos de células cancerosas, outros só

aparecem em cânceres específicos. A vacina ideal teria que ser eficaz em qualquer paciente com um

determinado tipo de câncer.

As vacinas de vetores (vírus, DNA nu) conseguem uma resposta imunológica mais forte que as

vacinas de antígenos. Vetores virais modificados poderiam infectar exclusivamente as células

cancerosas, carregando moléculas moduladoras da resposta imune, ou enzimas capazes de

transformar uma droga inativa em ativa.

Outra estratégia seria a elaboração de vacinas de tumores, com células cancerosas

enfraquecidas ou mortas. Provenientes do mesmo paciente ou de algum outro, essas células

expressariam antígenos associados a um tumor, estimulando a resposta imune.

Uma variante de vacina tumoral envolve o estímulo ex vivo das células imunes de modo a que

estas expressem o antígeno (Figura 20.2). Essa estratégia deu origem à primeira vacina terapêutica

(sipuleucel-T ou Provenge®, de Dendreon), contra o câncer de próstata hormonorefratário,

autorizada pelo FDA, nos Estados Unidos, em 2010. O empreendimento demandou à empresa

Dendreon um investimento de US $ 1 bilhão.

O sipuleucel-T é uma proteína de fusão entre uma enzima específica das células prostáticas

cancerosas (PAP, do inglês prostatic alcaline phosphatase) e um modulador da resposta imune (GM-

CSF, do inglês granulocytes and macrophages colony stimulating factor). O tratamento deve ser

adaptado a cada paciente. Começa com a extração das células apresentadoras do antígeno do

doente, segue com a incorporação in vitro dos antígenos tumorais e encerra-se com a reinfusão das

células modificadas no paciente. No momento do lançamento, Dendreon estimava o preço de cada

tratamento em US$ 93.000.

Embora representem uma tecnologia promissora, dificilmente as vacinas terapêuticas poderão

beneficiar um setor amplo da população, devido à complexidade tecnológica e aos custos de um

tratamento personalizado.


252

AS TERAPIAS GÊNICAS

TERAPIAS SOMÁTICAS E GERMINAIS

A terapia gênica visa alterar o funcionamento de um gene, mediante a introdução de DNA nas células

de um paciente. Se o gene se expressar, o objetivo da terapia será o seu desligamento ou a

inativação do produto. Se o gene não se expressar, a finalidade da terapia gênica será sua

substituição por uma cópia funcional que sintetize a proteína faltante. Esta última pode ser uma

enzima normal, uma molécula que torne a célula vulnerável ao ataque pelo sistema imune ou uma

substância tóxica que desencadeie a apoptose de uma célula cancerosa.

As terapias gênicas visam modificar as células somáticas de um indivíduo, sem pretender que

essa alteração seja transmitida à geração seguinte (Figura 20.3). Assim como em um transplante é

transferido um órgão ou um tecido, na terapia somática é transferido um gene e o efeito está

limitado ao indivíduo que o recebe. Diferente da terapia somática, a terapia de células germinais visa

a transmissão do gene à descendência.

A terapia gênica de células germinais permitiria a eugenia através da seleção do “genótipo

ideal”. Dentro desta ótica, quais seriam os caracteres considerados saudáveis? E por quem? A

história do século XX, com sua sequência de horrores (esterilização de deficientes e doentes mentais

nos Estados Unidos, persecuções na Alemanha nazista etc.), mostra que devem ser tomados todos os

cuidados para impedir a discriminação genética e a implantação de uma sociedade arbitrária. A

terapia gênica da linhagem germinativa não está permitida em nenhum país.

OS ALTOS E BAIXOS DE UMA TECNOLOGIA

De todas as novas biotecnologias, as terapias gênicas são as mais difíceis de avaliar porque, além de

envolver aspectos científicos, éticos e religiosos, passaram por altos e baixos ao longo dos últimos 40

anos

As primeiras experiências de terapia gênica para o tratamento ou a cura de uma doença, foram

realizadas em 1980, por Martin Cline, nos Estados Unidos. Além de fracassar, essas tentativas

despertaram uma reação contrária unânime, porque os estudos experimentais prévios eram

insuficientes e sua realização não tinha sido devidamente autorizada pelo comitê de ética

correspondente. O episódio motivou o estabelecimento de regras estritas para este tipo de

tratamento.

A primeira terapia gênica foi autorizada, nos Estados Unidos (1990), para o tratamento de dois

casos de Imunodeficiência Severa Combinada (SCID, do inglês severe combined immunodeficiency),

uma doença em que a falta da enzima ADA (desaminase de adenosina) bloqueia um caminho

metabólico, causando o acúmulo de uma substância que destrói os linfócitos.

As crianças com SCID, chamadas “crianças-bolha”, sofrem continuamente de infecções e têm

uma expectativa de vida curta. O tratamento habitual contempla a administração de enzimas, mas os

pacientes acabam desenvolvendo alergias aos componentes do produto injetado. Para essas

crianças, a única perspectiva restante é um transplante de medula óssea, com a condição de

encontrar um doador compatível.

A terapia aprovada pelo FDA consistia na extração de linfócitos do sangue, sua modificação

genética por transferência de um gene normal de ADA e a reinfusão dos linfócitos modificados na

circulação sanguínea do paciente. Aplicou-se esse procedimento na menina Ashanty DeSilva e, mais

tarde, em outra menina, Cynthia, que experimentaram uma melhora significativa.


253

Porém, como os linfócitos têm um período de vida curto, o procedimento foi repetido

periodicamente, durante dois anos. Algumas das células modificadas sobreviveram e produziram

ADA, mas a quantidade era insuficiente e nenhuma das meninas pôde prescindir totalmente do

tratamento enzimático.

O problema persistiu em estudos posteriores e nenhum dos pacientes pôde abandonar o

tratamento alternativo com a enzima, mesmo quando a modificação genética passou a ser realizada

em células-tronco da medula ou de cordão umbilical.

Uma tragédia esfriou o interesse pelas pesquisas nesta área. Em 1999, Jesse Gelsinger, um

jovem de 18 anos afetado por uma deficiência de OTC (ornitina transcarbamilase), que se

apresentara como voluntário para um tratamento de terapia gênica na Universidade da Pensilvânia,

morreu de uma reação imunológica adversa ao vetor utilizado, que era um adenovírus.

Em 2000, na França, a terapia gênica de uma variante de imunodeficiência (SCID-X1) pareceu

alcançar sucesso em nove de dez crianças tratadas. Contudo, novamente uma tragédia aconteceu

quando o vetor viral se inseriu em um lugar não esperado, inativando um gene supressor de tumor.

Quatro das crianças desenvolveram leucemia e uma delas morreu. O fracasso mostrou que a terapia

gênica ainda era uma tecnologia imperfeita, de difícil aplicação.

Dois anos mais tarde, renovaram-se as esperanças dos pacientes de SCID e seus familiares

devido ao descobrimento de uma nova técnica de remoção parcial da medula óssea, que favorece o

desenvolvimento de células-tronco modificadas geneticamente.

Por outro lado, limitou-se a participação nos estudos experimentais de SCID a crianças que

nunca tivessem recebido o tratamento enzimático com ADA. A primeira criança tratada é Salsabil,

uma menina palestina de dois anos de idade, que hoje cresce saudável.

FIGURA 20.3: O princípio da terapia gênica.

Cópias de um gene normal, previamente clonado em bactérias

Reimplantação

Inserção em um vetor Lipossomo

Cultivo de células (medula óssea)

Pulmão Músculo Fígado

Introdução do gene normal nas células de um indivíduo com uma doença genética

Vírus


254

O ESTADO DA ARTE

O campo das terapias gênicas conta hoje com numerosos estudos, em diferentes etapas de

realização. As dificuldades são enormes, porque se trata de transferir um gene a uma determinada

célula em certo tecido e conseguir que esse gene funcione adequadamente e de maneira duradoura.

Os dois grandes gargalos ainda são a necessidade de vetores seguros e de procedimentos mais

eficientes. Muitas pesquisas fracassam na última etapa dos testes clínicos.

Dos numerosos estudos em vias de realização, aguardam-se resultados positivos em relação a

síndromes genéticas (hemofilia, talassemia, Huntington, Duchenne, fibrose cística, SCID) e infecções

virais (HIV/AIDS), além de avanços nos estudos sobre doenças cardiovasculares, oneurológicas e

oncológicas.

O sucesso poderia estar muito próximo, tanto em relação ao SCID como a outras duas doenças

genéticas (amaurose congênita de Leber ou ALC, adrenoleucodistrofia ou ALD). Contudo, as três

demandam a modificação genética ex vivo de células-tronco, o que significa um tratamento

personalizado complexo. Estes empreendimentos para doenças de baixa frequência entram na

categoria de tratamentos/medicamentos órfãos, garantindo incentivos financeiros às empresas

farmacêuticas.

No combate às doenças infecciosas como o HIV/AIDS, existem diversas linhas de pesquisa. Uma

delas visa bloquear a replicação do vírus e a outra os receptores que o HIV usa para entrar no

linfócito T. Nenhum desses estudos superou ainda a fase correspondente aos testes clínicos.

O futuro das terapias gênicas é controverso. Do mesmo modo que em relação a qualquer tipo

de terapia experimental, as objeções se centram na utilização de uma tecnologia ainda imperfeita,

que envolve riscos e da qual se desconhecem os efeitos a longo prazo. Contudo, o grande número de

pesquisas em andamento e de testes em fases I e II indicam que, em um futuro próximo, algumas das

dificuldades encontradas poderão ser superadas.

No momento, só existe um único produto comercial disponível no mercado, que foi

desenvolvido e autorizado na China, em 2004. A Gendicina® (Shenzhen SiBiono GeneTech), é um

adenovírus com o gene supressor de tumores p53, utilizado no tratamento do carcinoma de células

escamosas de cabeça e pescoço.

O progresso das terapias gênicas levanta também algumas inquietudes em relação ao esporte.

Em 1998, uma equipe inteira de ciclistas foi eliminada do Tour de France devido ao uso indevido da

eritropoietina, que aumenta o número de hemácias. Contudo, fraudes deste tipo não poderiam ser

detectadas se o atleta fosse modificado geneticamente para aumentar naturalmente sua produção

de eritropoietina.

Em 2008, na Alemanha, um confuso caso de doping de atletas envolveu um treinador e um

produto de terapia gênica em fase pré-clínica (Repoxygen, de Oxford Biomedica), que induz a

liberação de eritropoietina em baixa concentração de oxigênio.

AS PROMESSAS DO SILENCIAMENTO GÊNICO

Ao longo dos últimos trinta anos descobriram-se vários mecanismos de silenciamento gênico,

baseados nos diversos tipos de RNA e suas propriedades (Figura 20.4).

As ribozimas são moléculas de RNA, com propriedades catalíticas, que cortam outras moléculas

de RNA que apresentem em sua sequência alguns nucleotídeos complementares. Sua descoberta

teve uma importância extraordinária, porque deu origem a uma teoria sobre os primórdios da vida,

em um mundo de RNA.


255

Transcrição Transcrição RNA anti-sense

Transcrição DNA

Tradução

Não há tradução

FIGURA 20.4: As tecnologias de silenciamento gênico.

A. As ribozimas

B. O RNA anti-sense

Síntese de proteínas Inibição da síntese proteica por RNA anti-sense

C. O RNA interferente

RNA clivado

Ribozima

RNA

mRNA

dsRNA (RNA de dois filamentos)

Pequeno RNA interferente (siRNA)

Fragmentos de RNA

Complexo enzimático

Clivagem do mRNA

Exterior Membrana Citoplasma

celular

mRNA mRNA


256

Numerosas pesquisas foram desenvolvidas em relação ao uso de ribozimas como agentes

biológicos, seja para inativar um gene ou como inibidores da replicação do HIV em células infectadas.

Apesar de laboratorialmente bem sucedidas, nenhum produto entrou até agora no mercado.

Também trouxe grande expectativa a tecnologia anti-sense, que utiliza o mecanismo de

transcrição para inativar um gene. Normalmente, o RNA transcrito é complementar a um dos

filamentos de DNA. Colocando um promotor no outro filamento, a transcrição ocorrerá em sentido

contrário e se formará um asRNA (anti-sense RNA). Sendo complementares, os dois RNAs

sintetizados (sense e anti-sense) irão se associar, formando uma molécula de dois filamentos que não

conseguirá se unir ao ribossomo ou será destruída por ribonucleases celulares.

A tecnologia anti-sense deu origem ao tomate FlavSavr, que amadurece na planta sem

amolecer, devido à inativação do gene da pectinase. Também deu bons resultados na supressão da

síntese de etileno e na modificação da cor das flores.

Em relação às terapias gênicas, a tecnologia anti-sense tornou possível o desenvolvimento de

um medicamento para o tratamento de infecções oculares por citomegalovírus, em pacientes com

HIV/AIDS. O formivirsen (Vitravene®, de Isis Pharmaceuticals) foi autorizado em 1998 pelo FDA, nos

Estados Unidos. Atualmente, estariam sendo realizados testes clínicos de pelo menos uma dúzia de

medicamentos, nenhum deles disponível antes de 2015.

Outra tecnologia recente é a do RNA interferente (iRNA), originada também em descobrimentos

de fisiologia vegetal. Em 1990, descobrira-se que, introduzindo um gene extra em petúnias, em vez

de flores mais pigmentadas obtinham-se flores brancas. Casos semelhantes de cossupressão gênica

também foram descritos no verme Caenorhabditis elegans e na mosca Drosophila melanogaster.

Verificou-se mais tarde que bastam filamentos duplos de RNA com mais de 200 nucleotídeos

para inativar a expressão gênica, uma vez realizada a transcrição. Fragmentados em pedaços

menores (siRNA, do inglês small interfering RNA) e associados a um complexo enzimático, esses

filamentos de RNA destroem qualquer mRNA transcrito com uma sequência parcialmente

complementar.

Acredita-se que a maquinaria celular envolvida no processo de interferência tenha surgido,

evolutivamente, como uma forma de defesa contra os vírus de RNA duplo. Contudo, hoje essa

maquinaria é um elemento importante na regulação da expressão dos genes.

A tecnologia de RNA interferente (IRNA) constitui uma ferramenta de laboratório poderosa para

se entender a função dos genes e a regulação da expressão gênica. As pesquisas laboratoriais têm

dado informações valiosíssimas sobre genômica funcional. Também abriram novas perspectivas no

tratamento de infecções virais e esclareceram diversos aspectos de várias doenças genéticas e

neurológicas. Em relação ao câncer permitiram a inativação in vitro de moléculas associadas à

patologia e à progressão da doença humana.

O IRNA traz uma possibilidade nova de terapia para várias doenças. Considera-se que os tecidos

que poderiam ser mais facilmente tratados seriam o olho, a pele, as membranas mucosas e os

tumores locais. Se bem que ainda em fase clínica, os testes mais avançados correspondem ao

tratamento da degeneração macular e da infecção pelo vírus respiratório sincicial.

Antes de a tecnologia superar a fase experimental e chegar a ter uso clínico, diversos problemas

terão que ser resolvidos. Os mais importantes são a introdução do ácido nucleico na célula e o

controle de seu raio de ação, de modo a restringir a interferência à molécula-alvo. Apesar do sucesso

alcançado nos estudos in vitro, a tecnologia do IRNA ainda precisa melhorar a eficiência, a segurança

e a confiabilidade. Muitos estudos serão necessários antes que a tecnologia possa ser utilizada

clinicamente.


257

A MEDICINA REGENERATIVA

OS TRANSPLANTES DE ÓRGÃOS

A primeira tentativa data de 1899, com o transplante de rim de um cachorro a outro. Desde então

ficou óbvio que o fenômeno de rejeição era principal obstáculo aos transplantes de órgãos. Uma

exceção é a córnea, cujo primeiro transplante bem sucedido se realizara em 1905.

O primeiro transplante de coração, realizado pelo cirurgião Christian Barnard (África do Sul,

1967) teve uma repercussão enorme nos meios de comunicação. O mundo inteiro acompanhou os

comunicados médicos emitidos em Cidade do Cabo, até a morte do paciente, 18 dias mais tarde.

Durante vários anos os problemas de rejeição pareceram intransponíveis.

Na década de 1980, além da melhoria das técnicas cirúrgicas e da caracterização dos antígenos

dos tecidos, aparecem os primeiros medicamentos imunossupressores (ciclosporinas), e os

transplantes se tornam rotineiros. Em centros médicos de todos os países são substituídos, com

sucesso, diversos órgãos e tecidos: coração, rim, fígado, pulmão, intestino, timo, córneas, medula

óssea, pele, pâncreas, válvulas cardíacas, veias etc.

Alguns procedimentos são relativamente simples. No isotransplante, a transferência de um

ovário ou de um rim é feita de um indivíduo a seu gêmeo idêntico. No autotransplante, substitui-se

uma artéria coronária por uma safena do mesmo indivíduo, ou um fragmento de pele danificado por

outro. Contudo, no alotransplante, em que um órgão é transferido a outro indivíduo, requer-se a

supressão do sistema imune, para que o organismo possa aceitar uma parte “non-self”. Caso

contrário o órgão será rejeitado e, também, o órgão poderá rejeitar o hospedeiro.

À dificuldade em encontrar um doador compatível se soma a de encontrar doadores, já que o

número de doações é muito menor do que seria necessário. Por isso uma alternativa seria o

xenotransplante, isto é, a transferência de um órgão de um animal ao homem.

Devido ao tamanho e a estrutura de seus órgãos, o porco parece o animal mais indicado. Já em

1902, ligou-se o rim de uma paciente a um porco, uma experiência que resultou fatal. Hoje é sabido

que, devido à presença nas células suínas de -1-3 galactose, um tipo de molécula que não se

encontra em primatas, ocorrerá um fenômeno de rejeição violento. a menos que se apliquem doses

maciças de medicamentos imunossupressores.

O encapsulado das células animais em uma matriz inerte que as isole e, ao mesmo tempo, deixe

passar os nutrientes e produtos celulares, poderia evitar a rejeição. Este procedimento foi utilizado

recentemente em pacientes diabéticos que receberam células suínas encapsuladas e passaram a

secretar insulina. Também foi utilizado em uma centena de pacientes de câncer, para a secreção de

moléculas que aliviassem a dor.

Em 2002, duas empresas (PPL Therapeutics e Immerge Bio Therapeutics) anunciaram a

clonagem de porcos em que o gene para a -1-3 galactose fora desativado por “knock out” duplo.

Esses porcos poderiam vir a ser uma fonte de órgãos para um transplante temporário em seres

humanos.

No entanto, mesmo eliminando o perigo da rejeição aguda, ainda falta resolver como evitar o

processo de rejeição que seria desencadeado, um pouco mais lentamente, pelas proteínas suínas.

Existe, porém, uma objeção maior aos xenotransplantes, que é o risco de introduzir retrovírus de

outras espécies em seres humanos, com resultados imprevisíveis.


258

A ENGENHARIA DE TECIDOS

Na interface da biologia celular, da medicina, da bioquímica e da bioengenharia, a engenharia de

tecidos visa a substituição de órgãos e tecidos.

Faz anos que o cultivo de pele in vitro é utilizado para reparar as lesões causadas por

queimaduras. Um pequeno fragmento de pele, isolado do próprio paciente, é o bastante para formar

em três semanas uma superfície 50 vezes maior. Amolda-se a nova pele a uma superfície

biodegradável para evitar que rasgue quando aplicada no paciente. O procedimento se adapta ao

tratamento de queimaduras e de lesões de difícil cicatrização.

A “biomimética” consegue reparar in vivo o tecido ósseo, utilizando como molde um polímero,

onde migram e se expandem as células regenerativas internas. A tecnologia se aplica na reparação

de fraturas e de lesões causadas por doença periodontal, assim como a reconstrução da cartilagem

das articulações. Recentemente, transplantou-se com sucesso uma traqueia, que fora construída

com células-tronco do próprio paciente, cultivadas sobre um molde poroso. Este é o primeiro passo

na construção in vitro de estruturas tridimensionais análogas aos órgãos. No momento, as estruturas

mecânicas parecem mais fáceis de construir que órgãos complexos, como um rim ou um pulmão.

TABELA 20.2. As características comparadas das células-tronco adultas e embrionárias

CÉLULAS-TRONCO ADULTAS CÉLULAS-TRONCO EMBRIONÁRIAS

Pouquíssimas, difíceis de encontrar nos tecidos. Trinta células, fáceis de encontrar em um embrião de 3 a 5 dias.

Diferenciam-se em um número limitado de tipos celulares.

Diferenciam-se em qualquer um dos 220 tipos celulares do organismo (pluripotentes).

Difíceis de cultivar no laboratório. Fáceis de cultivar no laboratório.

Induzem rejeição se forem transplantadas em outra pessoa. Quando reintroduzidas na mesma pessoa, não induzem rejeição.

Induzem rejeição.

FIGURA 20.4. A clonagem terapêutica, uma forma de gerar células-tronco embrionárias com a informação genética do doador do núcleo.

Ovócito

Célula saudável

Transferência nuclear Paciente

Fusão celular

Ovócito anucleado

Embrião

Infusão

Células-tronco diferenciadas

Células-tronco recuperadas


259

AS TERAPIAS CELULARES

As células-tronco multipotentes

Células-tronco multipotentes são encontradas em tecidos adultos, onde proliferam por longos

períodos de tempo, conservando a capacidade de se diferenciar em diferentes tipos celulares, em

resposta a estímulos adequados (Tabela 20.2). São responsáveis pelo crescimento e a reparação dos

tecidos.

Sua presença em tecidos e órgãos explica o sucesso alcançado pelos transplantes de pele, de

córnea e de medula óssea. Este último possibilita a regeneração dos elementos sanguíneos no

tratamento de leucemias e de linfomas, de doenças hereditárias hematológicas e na recuperação dos

pacientes que receberam quimioterapia.

As células-tronco hematopoiéticas são encontradas em frequências baixíssimas na medula óssea

e no sangue periférico. Embora não apresentem características morfológicas que as distingam das

outras células, a presença de marcadores moleculares específicos na membrana permite separá-las e

infundi-las mais tarde na mesma pessoa ou em outra que for compatível.

Numerosos bancos de sangue, públicos e privados, oferecem um serviço de armazenamento de

sangue de cordão umbilical que asseguraria a recuperação de células-tronco hematopoiéticas, em

caso de necessidade. Como a probabilidade de uma pessoa vir a precisar de suas próprias células é

baixíssima (1/100.000), a existência de grandes bancos públicos representa a garantia de encontrar

doadores compatíveis.

Pesquisas em andamento investigam a capacidade regenerativa das células-tronco adultas na

cicatrização de queimaduras, na substituição de células da córnea, na regeneração de osso e

cartilagem, no tratamento da artrite e na reparação de fraturas. Embora alguns aspectos relativos ao

seu modo de ação não estejam totalmente esclarecidos, os primeiros ensaios clínicos são

promissores.

As células-tronco pluripotentes

Devido às limitações na capacidade de diferenciação das células-tronco presentes nos tecidos

adultos, muitos pesquisadores se interessaram pelas células-tronco embrionárias, capazes de se

diferenciar em qualquer tipo de célula e muito mais fáceis de cultivar no laboratório (Tabela 20.2).

Entender os mecanismos que controlam o crescimento e a diferenciação celular é um dos

maiores desafios atuais, porque as células-tronco embrionárias representam a possibilidade de

novos tratamentos de regeneração celular para doenças cardíacas, diabetes, lesões da medula

espinhal, distrofia de Duchenne, cegueira, surdez e doença de Parkinson.

Nenhum procedimento terapêutico com células-tronco embrionárias saiu do laboratório.

Recentemente, foram iniciados, nos Estados Unidos, os primeiros testes clínicos para o tratamento

de duas formas de cegueira por Advanced Cell Technology e para a regeneração da medula espinhal

e de células danificadas por derrame cerebral, por Geron e ReNeuron respectivamente.

Explica-se o grande entusiasmo despertado, em seu momento, pelas células-tronco

embrionárias porque se esperava que permitissem criar linhagens celulares personalizadas, por

transferência nuclear. Células-tronco embrionárias com a informação genética de um paciente

regenerariam os órgãos lesionados, sem causar problemas de rejeição (Figura 20.4). As células

também poderiam ser objeto de uma terapia gênica. O procedimento, denominado clonagem

terapêutica, abriria possibilidades para o tratamento de doenças para as quais os recursos

terapêuticos são escassos (Parkinson, Alzheimer, Duchenne etc.). Contudo, até serem estabelecidas

as regulamentações pertinentes, a clonagem terapêutica ainda permanece no terreno experimental

do laboratório.


260

Em 2007, a controversa filosófica e moral sobre a clonagem terapêutica e o uso de embriões

pareceu definitivamente superada. A inserção de alguns genes em células diferenciadas gerou as

células-tronco iPSC (do inglês, induced pluripotent stem cells), com propriedades equivalentes às das

células-tronco embrionárias. Com elas, desenvolve-se rapidamente a tecnologia de reprogramação

celular, aumentando nosso conhecimento sobre o controle genético da diferenciação e abrindo uma

nova senda para a implementação de testes, medicamentos e tratamentos novos.

Aspectos polêmicos das células-tronco

Na perspectiva de contar com células capazes de reconstruir qualquer tipo celular, nos últimos anos

do século XX, vários núcleos de investigação tentaram obter linhagens de células-tronco

embrionárias. As poucas existentes foram obtidas a partir de fetos abortados e de embriões

supranumerários resultantes das fertilizações in vitro. Do ponto de vista técnico, essas linhagens

eram cultivadas com soro bovino ou com fibroblastos de camundongo, portanto, não poderiam ter

nenhuma aplicação clínica.

Entre 2001 e 2009, nos Estados Unidos, não se outorgaram fundos públicos para pesquisas com

novas linhagens de células-tronco embrionárias. Contudo, a iniciativa privada não sofreu nenhuma

restrição, e cada estado pôde fixar suas regras. Paralelamente, vários países estabeleceram sua

legislação, em função de considerações científicas, éticas e religiosas.

Em 2005, pesquisadores sul-coreanos declararam ter construído, por transferência nuclear, 11

linhagens de células-tronco embrionárias de pacientes de diversas doenças. Apesar do notável

entusiasmo levantado por estes trabalhos, pouco depois começaram a surgir dúvidas sobre a

veracidade dos resultados divulgados, confirmando posteriormente os mesmos pesquisadores que

essas linhagens nunca existiram. Por outro lado, nessas pesquisas teriam sido utilizados ovócitos de

mulheres que trabalhavam no laboratório. O escândalo chamou a atenção sobre a fragilidade ética

de algumas pesquisas científicas.

Outro aspecto controverso é o uso dos embriões supranumerários das clínicas de fertilidade

assistida, para a obtenção das linhagens de células-tronco embrionárias. Um setor da sociedade

argumenta que a extração de células-tronco de embriões se realiza estritamente de 4 a 14 dias após

a fecundação e que, depois de certo tempo de congelamento, os embriões não podem ser

reimplantados com segurança. Em vez de eliminar esses embriões, seria melhor utilizá-los na

pesquisa de novos tratamentos para doenças que, hoje, não têm cura.

Em contraposição, outro setor considera que a vida começa com a fecundação e que as

pesquisas desrespeitam o status legal e moral do embrião, considerando inadmissível que embriões

sejam criados in vitro, com fins de pesquisa. Em uma terceira posição, encontram-se os que

consideram as terapias celulares uma tecnologia promissora, mas que ainda precisa de muita

pesquisa pré-clínica. Este grupo tende a postergar qualquer decisão até existirem mais evidências

concretas sobre a tecnologia em si e os seus benefícios, pedindo mais tempo para reflexão. Em

princípio, a descoberta das iPSC pareceria ter lhes dado razão.

Finalmente, outro motivo de preocupação é a proliferação do turismo médico atrás das

promessas de curas milagrosas. Recentemente, um garoto israelense com ataxia-telangiectasia

desenvolveu um tumor cerebral depois de um tratamento com células-tronco fetais realizado na

Rússia. Os estudos com marcadores celulares mostraram que, na origem do tumor, estavam as

células implantadas.

O desenvolvimento de um tratamento novo é um processo lento que se desenvolve em etapas

bem definidas, com histórias de fracasso e de sucesso. Do laboratório até a prática médica, muitos

pequenos passos são necessários.

21. CONSIDERAÇÕES FINAIS



Nos capítulos anteriores revisamos os fundamentos das biotecnologias e seu impacto na sociedade,

destacando alguns exemplos de empreendimentos latino-americanos bem sucedidos: o

desenvolvimento do setor agropecuário e da indústria de medicamentos da Argentina, a plataforma

genômica e a produção de vacinas no Brasil, o alcance da biomineração no Chile, o sucesso da

experiência de Cuba etc.

Apesar das dificuldades econômicas e políticas, essas experiências foram possíveis porque se

cumpriu a condição fundamental de contar com instituições competentes, uma massa crítica de

pesquisadores e pessoal técnico treinado. Em alguns casos, estas existiam previamente, em outros,

elas foram criadas.

A biotecnologia é uma disciplina baseada no conhecimento. Em todos os seus níveis, a educação

tem um rol fundamental na formação dos quadros profissionais e na difusão dos conhecimentos

básicos indispensáveis, para avaliar adequadamente os benefícios dessa tecnologia e estabelecer as

normas para sua utilização.

No início do século XXI, em um momento histórico mundial de conflitos e mudanças sociais,

várias são as incógnitas que nos cercam:

o Como estimular o interesse das novas gerações pelo conhecimento científico e tecnológico?

o Como impedir o aumento do distanciamento científico e tecnológico entre os países

desenvolvidos e os países em desenvolvimento?

o Como serão afetados os rumos da pesquisa científica e tecnológica com a crise económica

mundial?

o Como a privatização da pesquisa científica e tecnológica irá alterar, através de um sistema de

patentes, a transparência do processo de aquisição e divulgação do conhecimento?

o Como passar da pesquisa científica ao desenvolvimento tecnológico de um produto ou de um

serviço?

o Como incubar e agrupar as empresas que estão dando os seus primeiros passos?

o Como manter a comunicação e a transferência de conhecimentos entre os países em

desenvolvimento?

o Como evitar a manipulação da opinião pública?

o Como assegurar que os benefícios das biotecnologias cheguem aos povos mais desfavorecidos?

o Como conciliar a cultura de segurança e o desenvolvimento de novas tecnologias?

o Como lidar com as pesquisas de uso duplo, que podem ser usadas tanto para o bem como para o

mal?

o Como inserir as novas tecnologias em um contexto que garanta o respeito aos princípios éticos

fundamentais de nossa sociedade?

Para estas perguntas não há uma única resposta. Discussão e consenso são fundamentais.

Rio de Janeiro, dezembro de 2011.


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ÍNDICE REMISSIVO



AAT (α-1-antitripsina), 176

Abbott, 215, 234, 240, 248, 280.

Acetona, 3, 5, 6, 23, 24, 31, 59, 60, 109, 112.

Ácido acético, 12, 24, 60, 109, 112.

Ácido ascórbico (vitamina C), 70, 112, 113.

Ácido cítrico, 5, 6, 7, 24, 26, 30, 59, 112, 187.

Ácido glutâmico, 24, 49, 113.

Ácido láctico, 6, 24, 31, 112-115, 179, 181, 185, 187.

Ácido succínico, 112.

Adalimumab, 248, 240

Advanced Cell Technology, 259.

Afeganistão, 149.

Affymetrix, 7, 215, 216.

África do Sul, 6, 153, 161, 183, 257.

Agenda 21, 125.

Agilent, 215, 216, 285.

AkzoNobel, 240.

Alemanha, 57, 107, 109, 116, 121, 149, 163, 252, 254.

Algodão Bollgard®, 158.

Allergan, 240.

Amflora®, 8, 127, 153, 163.

Amgen, 95, 240.

Angola, 193, 289

ANMAT, Administración Nacional de medicamentos, Alimentos y Tecnología Médica, 247.

ANVISA, Agência Nacional de Vigilância Sanitária, 247.

Applied Biosystems, 215, 218, 280.

AquaBounty, 173, 272.

AquaGestión, 175.

Aranesp, 240.

ARG Natural Beef, 171.

Argentina, 4, 57, 68, 107, 121, 122, 132, 144, 153, 161-163, 165, 171, 172, 174-176, 183, 197, 207, 221, 224,

232, 237, 240, 241, 247, 261, 263, 264, 272-277, 280, 282, 283, 287.

Arroz Bt, 161.

Arroz com vitamina A, ver Golden Rice.

Aspartame®, 113, 188.

Astra Zeneca, 229, 234.

ATryn, 105, 176, 239.

Austrália, 107, 136, 144, 156, 165, 183, 244, 267.

Avastin®, ver bevacizumab.

Aventis, 229, 237, 280.

AviGenics, 176.

Banting F., 237.

BASF, 8, 110, 115, 127, 157.

Basilea Pharmaceutica, 234.

Bayer, 129, 159, 230.

Berg P., 93

Betaseron, ver interferon.

Bevacizumab, 8, 240, 248.


294

BIO - Biotechnology Industry Organization, 2, 263, 272, 277, 281.

Biobrás, 237.

Biogen Idec, 240, 248.

Biogénesis, 174.

Biolixívia, 23, 136, 270, 271.

Biomanguinhos - Instituto de Tecnologia em Imunobiológicos (Fiocruz), 208, 284.

Biomérieux, 216, 217, 281.

Biomm, 237.

Biopol, ver PHB.

Biopulping, 126.

BiosChile, 174.

Biosidus, 107, 171, 176.

BioSigma, 137.

BiosteelTM

, 172.

Bolívia, 4, 163.

Borlaug N., 152, 272.

Botox, 40. Ver também toxina botulínica.

Boyer H. & S. Cohen, 1, 6, 93, 95.

Braden Copper Co., 136.

Branca e Neve, 171.

Brasil, 4, 6, 7, 27, 57, 68, 103, 109, 116-118, 121-123, 126, 127, 129, 132, 136, 142, 144, 146, 148, 149, 153,

155, 156, 158, 159, 161-163, 165, 169, 171, 172, 174-176, 183, 189, 193, 197, 207-209, 221, 223, 232, 237, 240,

241, 244, 247, 261.

Braskem, 115.

Bristol-Myers Squibb, 74.

Butanol, 3, 5, 6, 23, 24, 31, 59, 60, 109, 111, 112.

Calgene Inc., 191.

Canadá, 109, 116, 122, 123, 151, 152, 161, 172, 173, 183, 190, 242, 271, 273, 284,

Canola, 110, 115, 122, 140, 142, 143, 153, 157, 160, 164, 191, 192, 196, 273.

Cargill, 160, 192.

Carrefour, 193

Carson R., 128.

Cartagena, Protocolo de de Biossegurança de, 150, 173.

CDC - Center for Disease Control and Prevention, 210, 265, 281.

Cefalexina, 110.

Celera Inc., 7, 55, 90, 267, 268.

Ceradase, ver glucocerebrosidase.

Cerezyme, ver glucocerebrosidase.

Cetus, Inc., 6, 88.

Cetuximab , 248.

Cevarix®, 251.

CGIAR - Consultative Group on International Agricultural Research, 149, 189, 273, 275, 276.

Chakrabarty, 6, 135.

Chile, 4, 25, 57, 68, 121, 132, 136, 163, 173-175, 183, 207, 221, 232, 261, 269, 271, 272, 275, 277, 278, 280.

China, 4, 5, 116, 121, 122, 139, 140, 144, 146, 149, 153, 159, 160, 161, 167, 173, 207, 209, 211, 213, 254.

Chiron, 6, 240.

CIAT- Centro Internacional de Agricultura Tropical, 149.

CIMMYT - Centro Internacional para el Mejoramiento del Maíz y el Trigo, 149.

CIP - Centro Internacional de la Papa, 149, 273.

Cipro, 234, 245.

Coca-Cola, 115.

Codelco - Corporación Nacional del Cobre, 136, 137, 269.

BIOTECNOLOGIA 2011 / Índice remissivo

295

Código de Nuremberg, 205.

Collins P., 7.

Colômbia, 4, 68, 144, 149, 163, 174, 221, 264, 268.

Confédération Paysanne, 193.

Conferência de Asilomar, 1, 6, 95, 275.

Conferência de Rio de Janeiro, 156, 125

CONICET - Consejo de Investigaciones Científicas y Técnicas de la Argentina, 107, 263.

Consórcio do Genoma Humano, 7.

Convenção sobre a Diversidade Biológica, 148, 150, 232.

Coreia, 159, 227.

Costa Rica, 4, 23, 148, 163, 232.

Cruz O., 209.

CTNBio - Comissão Técnica Nacional de Biossegurança, 103, 155, 159, 175, 273, 279.

Cuba, 4, 28, 68, 76, 121, 129, 132,173, 174, 221, 240, 241, 261, 274, 286.

Declaração de Alma-Ata, 231.

deCode, 242, 282.

Dendreon, 251.

Dextranas, 24, 112, 113, 187.

Dinamarca, 114, 121, 123, 133, 177, 266.

Dipel®, 129, 158.

Döbereiner J., 127.

Dolly, 7, 104, 105, 170, 171.

Dow Agro Sciences, 159, 162, 207.

DSM Life Sciences Products, 110, 271.

DuPont, 115, 162.

Eagle H., 77.

EFB - European Federation of Biotechnology, 2, 278.

Eli Lilly, 6, 95, 229, 237, 240.

EMBRAPA – Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, 57, 127, 129, 149, 157, 159, 163, 171, 189, 266, 274.

Enbrel, ver etarnecept.

EOR – Enhanced oil recovery, 135.

EPA - Environmental Protection Agency, 6, 163, 167, 265.

Epogen, ver eritropoietina.

Eprex, ver eritropoietina.

Equador, 4.

Erbitux®, ver cetuximab.

Ereky K., 1, 5.

Eritropoietina, 79, 238, 240, 241, 247, 254, 239, 240, 241, 244, 247.

Eslovaquia, 163.

Espanha, 4, 123, 136, 163, 164, 211.

Estados Unidos, 6, 7, 23, 30, 57, 107, 109, 116, 118, 121-123, 129, 132, 134, 137, 149, 151, 152, 156, 159, 161,

163, 166, 171-173, 176, 179, 183, 190, 191, 193, 195, 197, 204, 206, 207, 210, 213, 223, 233, 242-245, 247, 251,

252, 256, 259, 260.

Etanol, 3, 24, 26, 30, 59, 60, 61, 68, 81, 110-112, 115, 116-119, 122, 123, 131, 132, 179, 180, 181, 187, 268, 269.

Etarnecept, 240.

FAO - Food and Agriculture Organization, 143, 149, 157, 167, 190, 196, 254, 265, 269, 271, 274, 276, 278.

FAP - Fundação Ataulfo de Paiva, 208, 283.

Fapesp - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, 57, 119, 263, 269, 283.

Farmanguinhos, 237, 241, 244.

FASS - Federation of Animal Science Societies, 167.


296

Fator de estimulação de colônias de granulócitos (hg-CSF), 176, 238, 240, 250, 251.

Fator IX, 105, 170, 171, 176, 238.

FDA -US Food and Drug Administration, 6, 7, 163, 167, 173, 197, 247, 251, 252, 256, 277, 279, 285, 290.

Feijão resistente à vírus, 161.

Filipinas, 161.

Fitase, 128, 160, 166, 167, 172.

Fleischmann, C. & M., 179.

Fleming A., H. Florey & E. Chain, 5, 233.

Flores Colombianas S.A., 144.

Florigene, 144, 274.

Folistim, ver hormônio foliculo estimulante.

França, 4, 5, 6, 57, 107, 116, 121, 147, 174, 209, 215, 253.

Frankenfood, 193.

Friends of Earth, 193.

Fundação Oswaldo Cruz, 207, 275.

Funed - Fundação Ezequiel Dias, 208.

Future Harvest, 149.

Gardasil®, 251.

Gendicina®, 254.

Gene Chip, 216, 268.

Geneal, 171.

Genencor, 7, 115.

Genentech, 6, 95, 240.

Genzyme, 240.

Geron, 259.

Gigantes Gênicos - Gene Giants, 161, 162.

Glaxo, 207, 208, 229, 241, 251.

GloFish, 8.

Glucocerebrosidase, 238, 240.

Golden Rice, 1, 160, 189, 192, 273.

Goma xantana, 24, 112, 113, 135, 187.

Granulócitos - Fator estimulante do crescimento de colônias G-CSF, 176, 238, 240, 250, 251.

GRAS – Generally Recognized as Safe, 189, 190.

Greenpeace, 193, 274, 278.

Groupe Limagrain, 162.

Grupo de Empresas Farmacêuticas Sidus, 107, 240, 284.

GTC Biotherapeutics, 105, 176, 239.

Guerra Mundial,

Primeira, 5, 109, 110

Segunda, 93, 148, 166, 205, 223, 233.

Haiti, 211.

Heber Biotec, 241, 243.

Hematech Inc., 176.

Herceptin®, 240, 243, 248, 249. Ver também trastuzumab.

Hoffman F., 230

Hoffmann-La Roche, 6, 88, 242.

Honduras, 163.

Hormônio de crescimento

Animal, 7, 107, 172, 173, 176, 240.

Humano, 6, 31, 97, 107, 172, 238, 240, 244.

Hormônio foliculo estimulante, 238, 240.


297

Houwink E.H., 2.

Humalin, ver insulina.

Humalog, ver insulina.

Humatrope, ver hormônio de crescimento.

Humira®, ver adalimumab.

Humulina®, 6. Ver também insulina.

Hyundai, 115.

IASA, 174.

IBP - Instituto de Biotecnologia de las Plantas, 76, 263.

Illumina, 90, 215, 242.

ILSI - International Life Science Institute, 196, 273, 274, 278.

Immerge Bio Therapeutics, 257.

InBio - Instituto Nacional de Biodiversidad, 232, 285.

Incyte, 215.

Índia, 4, 5, 109, 116, 121, 139, 145, 146, 148, 153, 159, 161, 207, 209.

Infliximab, 240, 241, 248.

Inglaterra, 5, 6, 109, 156, 209, 242. Ver também Reino Unido.

Instituto Butantan, 208, 284.

Instituto Craig Venter, 8, 92.

Instituto Finlay, 208, 241.

Instituto Pasteur, 5, 6, 207, 208, 280.

Instituto Roslin

Insulina Humana, 1, 6, 31, 97, 105, 107, 176, 235, 236-240, 244, 257, 288.

INTA - Instituto Nacional de Tecnologia agropecuária, 144, 232, 273, 274, 276.

Interferon, 31, 78, 79, 176, 238, 239, 240, 241, 244, 247.

Interferon, 31, 78, 79, 176, 238.

IPB - Instituto de Pesquisas Biológicas, 208.

IPCC - Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas, 125.

Iraque, 149.

ISAAA -International Service for the Aquisition of Agri-Biotech Applications, 161, 265, 270, 277.

Isis Pharmaceuticals, 256.

Israel, 23, 109, 113, 206.

Iugoslávia, 210.

IVB - Instituto Vital Brazil, 208.

Japão, 107, 121, 156, 209, 213, 243, 244.

Jeffreys A., 6, 85, 223.

Jenner E., 5, 199, 209.

Johnson & Johnson, 95, 229, 234, 240, 248.

Kellogg’s, 160, 192.

Kenecott Corporation, 136.

Kirin, 240.

Kyoto,

Conferência de, 125.

Protocolo de, 132, 133.

Laboratório Bagó, 174.

Laboratórios Denver Farma, 237.

Laboratórios Santa Elena, 174.

Lacks H., 78.

Laverlam, 174.


298

Lenda e Glória da Embrapa, 171.

Leveduras ECMo01 e ML01, 183

Liberty Link®, 157.

Lucentis®, ver Ranibizumab.

Malaui, 193.

Mamirauá, 148, 274.

Mark and Spencer, 193.

McDonald’s, 115.

MedImmune, 240.

Mendel G., 5, 15, 18, 151.

Merck, 207, 229, 232, 233, 234, 243, 248, 251, 286.

Mercosul, 68.

México, 4, 6, 57, 68, 121, 132, 136, 148, 149, 159, 163, 172, 174, 197, 209, 212, 232, 240, 241, 272, 273, 290.

Milho

Agrisure, 158.

Genuity SmartStaxTM, 159.

Yieldgard®, 158.

Milstein C. & G.J.F. Kohler, 6, 44.

MIP - Manejo Integrado de Pragas, 128, 129.

Mitsubishi Tanabe, 248.

Mitsui Petrochemical Ind. Ltd., 74.

Moçambique, 193.

Monoglutamato de sódio, 3, 112, 187.

Monsanto, 7, 157, 158, 159, 160, 167, 192, 275.

Mullis K., 6, 88.

Ñandubay, 171.

Natalizumab, 248.

NeoRecormon, ver eritropoietina.

Neulasta, ver Granulócitos - Fator estimulante do crescimento de colônias G-CSF.

Neupogen, ver Granulócitos - Fator estimulante do crescimento de colônias G-CSF.

Neutropin, ver hormônio de crescimento.

Night pearls, 177.

NIH -National Institute of Health, 6, 95, 232, 265, 268, 283, 284, 286.

Nippon Mining & Metals, 137.

Nitto Denko Corp., 74.

Noruega, 149, 173.

Nova Zelândia, 165, 172, 173.

Novartis, 193, 207, 229, 232, 234, 241, 248.

Novo Nordisk, 237, 240, 266, 287.

Novozyme, 114, 207, 279.

Novulin, ver insulin.

OECD -Organization for Economic Cooperation and Development, 2, 6, 196, 264, 270, 287.

Omalizumab, 240.

Oostvaarderplassen, 148.

Organização Mundial de Comércio, 245.

Origen Therapeutics, 176.

Orphan Drug Act, 244.

OTA – Office of Technology Assessment, 2.

Oxford Biomedica, 254.


299

Palivizumab, 240, 248.

Pampa Mansa, 107.

Panamá, 173.

Papaias UH Rainbow e UH SunUp, 151, 191.

Paquistan, 161.

Paraguai, 4, 57, 161, 163, 174.

Paris-Texas, 171.

Pasteur L., 13, 183.

PEG Íntron, 240.

Pegasys Avonex, 240.

Peru, 4, 68, 136, 140, 149, 159.

Pfizer, 7, 229, 233, 234, 287.

PHA - poli-hidroxialcanoatos (PHAs), 115, 132.

Pharming BV, 176.

PHB - poli-hidroxibutirato (PHB), 115.

Pioneer Hi-Bred, 151, 273.

PLA - polilactato, 115.

Polly, 7, 105, 170, 171.

Polônia, 148, 163.

Porã e Potira, 171.

Portugal, 163.

PPL Therapeutics, 105, 171, 176, 257.

Pró-alcool - Programa Nacional do Álcool, 6, 118.

ProBioMed, 241, 243.

Procrit, ver eritropoietina.

Projeto Genoma,

da cana, 119.

humano, 55, 119.

Prometea, 171.

Proteção de Cultivares do Brasil, Serviço de, 146.

Protopin, ver hormônio de crescimento.

Provenge®, ver sipuleucel-T.

Pusztai, A., 167, 195.

Quorn, 187.

RAC - Recombinant DNA Advisory Committee, 95.

Ranibizumab, 240.

Rebif, ver interferón.

Recalcine, 175.

Reino Unido, 7, 64, 107, 166, 167, 173, 174, 180, 192, 210.

Remicade®, ver Infliximab.

ReNeuron, 259.

Repoxygen, 254.

República Dominicana, 211.

República Tcheca, 163.

RHM - Ranks Hovis McDougall, 187.

Rituxan®, ver rituximab.

Rituximab, 240, 248.

Roche, 6, 88, 90.240, 242, 248, 284, 288.

Roosevelt F.D., 210.

Roundup®, 157, 192.

Ruanda, 149.


300

Rumanía, 163.

Sabin A., 210.

Saizen, ver hormônio de crescimento.

Salk J., 210.

Salmão AquAdvantageTM, 173, 272, 229.

Samsung, 115.

Sankyo, 240.

Sanofi, 207, 208, 240, 290.

Schering Plough, 95, 240.

SCP - single cell protein, 166, 187.

Serono, 240, 248.

Serostim, ver hormônio de crescimento.

Shenzhen SiBiono GeneTech, 254.

Sipuleucel-T, 250, 251.

Soja

Cultivance®, 157.

RoundupReady®, 157.

Soymega™, 192.

Vistive®, 160, 192, 197.

Somália, 210.

Sorona 3GT, 115.

Southern E.M., 85.

Sumitomo, 129.

Suntori, 144.

Svalbard, 149.

Synagis®, ver Palivizumab.

Syngenta, 158, 162, 163.

Syntex Corporation, 6.

Tambo farmacéutico, 107, 176, 240.

Taxol, 74, 231.

Tecnovax S.A., 175.

Tecnovax, 175.

Tecpar - Instituto de Tecnologia do Paraná, 208, 284.

Thuricida®, 158.

Tomate FlavSavr®, 7, 191, 256.

Tour de France, 254.

Toxina botulínica, 31, 240.

TransOva, 176.

Trastuzumab, 240, 248, 249.

TRIPS Agreement, 245

Turfal, 127.

Tysabri®, ver natalizumab.

UNEP - Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente, 148, 270.

União Europeia, 8, 116, 118, 122, 144, 163, 167, 193, 197, 244, 247.

Uruguai, 4, 57, 68, 121, 132, 161, 163, 174, 221.

USDA - US Department of Agriculture, 163, 197, 232, 270.


301

Vacina

BCG – bacilo de Calmette e Guérin, 202, 208, 251, 283.

Sabin (OPV), 202, 210, 211.

Salk (IPV), 202, 206, 210.

DIVA - differentiating infected from vaccinated animals, 175.

Vallée, 174.

Vavilov N.I., 147, 148.

Vectobac®, 158.

Vectorcontrol, 129.

VECTRO - Instituto para Preparações Virais, 210.

Venezuela, 4, 221, 233.

Vitamina A - -caroteno, 1, 25, 113.141, 160, 189, 191, 192.

Vitamina B12 - cianocobalamina, 112, 113.

Vitamina B2 – riboflavina, 70, 110, 112, 113.

Vitória, 171.

Vitrogen, 171.

Von Behring E. & S. Kitasato, 247.

Watson J. & Crick F., 1, 5, 47.

Weizmann Ch., 5, 109.

WHO - World Health Organization, 167, 190, 196, 199, 207, 231, 280, 291.

World Trade Center, 213, 224.

Wyeth, 207, 240, 249.

Xolair®, ver Omalizumab.

Zâmbia, 193.

Zimbábue, 193.


302

ORT - ORGANIZAÇÃO, RECONSTRUÇÃO E TRABALHO - é uma instituição educacional de origem judaica que se dedica ao ensino e treinamento tecnológico. Atua hoje em mais de 50 países e suas escolas são frequentadas anualmente por cerca de 300.000 alunos. Sem fins lucrativos, concentra seus esforços em permitir o acesso a uma educação de elevado nível ao maior contingente possível de alunos, sem restrições de qualquer espécie. Maior organização não governamental de ensino e treinamento tecnológico do mundo, o ORT desenvolve pesquisas educacionais e coloca seu conhecimento técnico à disposição de governos, indústrias e outras instituições de ensino. Desde sua fundação em 1880, um dos principais objetivos do ORT foi ajudar a ajudar-se, levando à independência e à autossuficiência. E alcançou-o oferecendo educação e treinamento às pessoas para ajudar-lhes a ganhar seu sustento com dignidade.

Maria Antonia Malajovich é bióloga, com Licenciatura em Ciências Biológicas pela Universidade de Buenos Aires, mestrado e doutorado em Genética pela UFRJ (Brasil). Foi bolsista da CAPES e CNPq (Brasil), do Ministério das Relações Exteriores da França, de World ORT e da Universidade das Nações Unidas (UNU-BIOLAC). Ao longo de mais de vinte anos dedicados ao ensino científico e tecnológico, ministrou cursos de Biotecnologia em vários países latino-americanos (Argentina, Brasil, Peru, Uruguai, Venezuela). Desempenha-se, desde 1992, como Professora e Coordenadora de Ciências e de Biotecnologia no Instituto de Tecnologia ORT do Rio de Janeiro. Conta com vários artigos sobre o tema, e livros publicados no Brasil e na Argentina. Em 2008 recebeu o prêmio Beatrice Wand-Polak, outorgado por World ORT aos Professores que se destacam no desenvolvimento de novos programas, materiais e tecnologias educacionais. Fundou o site Biotecnologia: ensino e divulgação (www.bteduc.bio.br). Em 2011, foi homenageada pelo Dia do Biólogo, na Assembleia Legislativa do Rio de Janeiro, em reconhecimento à sua dedicação em defesa da Biodiversidade e do Meio Ambiente. Integra a direção científica da Associação Nacional de Biossegurança.

BIOTECNOLOGIA 2011 - MARIA ANTONIA MALAJOVICH Edições BIBLIOTECA MAX FEFFER do INSTITUTO DE TECNOLOGIA ORT do Rio de Janeiro Rua Dona Mariana 213 – Rio de Janeiro, 22280-020 – RJ - Brasil Tel.: (5521)2539-1842; FAX: (5521)2286-91 http://www.ort.org.br

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BIOTECNOLOGIA 2011bteduc.com/livros/Biotecnologia_2012.pdf · biotecnologia 2011 sumÁrio i introduÇÃo capÍtulo pÁgina 1. o que É biotecnologia? a biotecnologia tradicional a