O fascinante e invisível mundo microbiano e suas aplicações em biotecnologia.

O mundo em que vivemos é dominado pelos microrganismos. Bactérias, fungos, protozoários. Eles estão presentes em virtualmente todos os ambientes, inclusive os mais extremos, como em fontes termais onde a água pode atingir temperatura perto da ebulição, ou mesmo no fundo do mar, em extremos de pressão e ausência de nutrientes.

O mundo invisível das bactérias.

Bactérias em geral são vistas pelas pessoas como maléficas, causadoras de doenças, etc. Porém, as bactérias “do mal” são de longe, a minoria. 

Bactérias malvadas tramando a destruição da especie humana. Fonte: http://www.123rf.com/stock-photo/bacteria_ailment.html

O mundo no qual vivemos, foi “engenhado” basicamente por bactérias. Devemos o oxigênio em nossa atmosfera basicamente a algumas espécies desses seres tão desprezados (em sua maioria, as cianobactérias). Outras participam ainda no clico de micronutrientes como Enxofre e Nitrogênio ou degradam matéria orgânica, fixam o gás carbônico da atmosfera e etc.

 Cyanobacteria - Anabaena spp. Fonte:http://dkphoto.photoshelter.com

Nos animais (inclusive o homem), elas ajudam desde a absorção de nutrientes e até mesmo na defesa contra patógenos.

Em nosso corpo, temos provavelmente o mesmo número de células humanas e bacterianas. São milhares de espécies que habitam nosso corpo, desde a pele, cabelo, boca, nariz e intestino, constituindo nossa microbiota (antigamente chamada de flora). Sem elas, não sobreviveríamos.

Essas pequenas células são verdadeiras máquinas metabólicas, com uma diversidade de funções incrível.  

Microbioma humano. Fonte: http://milkiseki.jp/microbioma-humano/

Desde milhares de anos atrás, microrganismos são utilizados pelo homem, mesmo sem saber exatamente o que estávamos fazendo. Leveduras são utilizadas para produção de pão e bebidas alcoólicas, assim como lactobacilos para fermentação de leite, desde sempre, constituindo uma maneira rudimentar de biotecnologia desde então.

Fermentação da cerveja: agradeça as leveduras. Fonte: http://comprarbebida.com.br/bebidas-fermentadas/

De lá para cá, a ciência evoluiu e passamos a ter conhecimento mais aprofundado sobre esses seres “invisíveis”. Passamos a conseguir cultivar espécies isoladas em laboratório, estudar sua fisiologia, bioquímica, genética. Descobrimos que podemos controla-las e torna-as espécies de robôs, produzindo exatamente o que desejamos, através de engenharia genética e biologia molecular. 

Bactéria E. coli, geneticamente modificada para produção de biodiesel. Fonte: Diesel (Marian Littlejohn/VEJA)

Sequenciamos genomas de milhares desses organismos e com isso entendemos melhor a função de cada gene e via metabólica.

Foram desenvolvidos microrganismos geneticamente modificados para produção de antibióticos mais potentes, proteínas fluorescentes para estudos de imagem celular, e até mesmo insulina, tornando mais barato, prático e eficiente o processo e melhorando a vida de diabéticos, que antes dependiam de insulina retirada de porcos, por muitas vezes causando até alergias.

Ilustração de como foi possível inserir o gene da insulina humana no genoma de uma bactéria. Fonte: https://www.nlm.nih.gov

A principal limitação no estudo de microrganismos é que não sabemos exatamente como cultivar a maior parte deles em laboratório. Cada organismo tem necessidades especificas, por exemplo, de nutrientes, concentração de oxigênio e temperatura para que cresçam e se multipliquem de maneira saudável. Os microrganismos mais clássicos, como os chamados coliformes fecais por exemplo, são facilmente cultiváveis, porém cerca de 90 a 99% dos organismos ambientais simplesmente não crescem nos meios de cultura que temos disponíveis. Com isso, fica difícil obter células suficientes para estudos in vitro e para sequenciar genomas, por exemplo.

Meios de cultura para bactérias, podem ser líquidos ou sólidos (em placa). Fonte: http://phoneutria.com.br/site2/produto/meios-de-cultura

Muitos desses organismos produzem produtos naturais de grande interesse, como antibióticos ou compostos com atividade anticâncer por exemplo. Outros produzem enzimas que degradam celulose e poderiam ser utilizados para degradar melhor a cana de açúcar, aumentando a quantidade de álcool (etanol) obtido por cada quilograma de cana.

Só que se não conseguimos cultiva-los, não conseguimos obter seus produtos. Então para contornar isso, foi desenvolvida uma técnica chamada de metagenomica, ou genômica ambiental (falarei mais sobre isso em um próximo post). Com essa técnica é possível acessar o DNA da comunidade microbiana completa de determinado ambiente, sem se preocupar em saber de qual organismo veio cada trecho de DNA, nem isolar e cultivar nenhum deles. Busca-se genes ao invés de organismos. Com isso, podemos através de engenharia genética e biologia molecular, inserir esses genes ambientais em bactérias tradicionais e cultiváveis, como os coliformes fecais, clonando e expressando esses genes para obter seus produtos de interesse biotecnológico.

Metagenomica: tornou possível acessar DNA ambiental sem cultivo individual dos microrganismos. Fonte: http://assets.illumina.com/

Mais recentemente, com o advento da biologia sintética, podemos simplesmente utilizar uma célula de alguma bactéria cultivável, retirar todo o seu DNA e inserir um DNA sintético, gerado em laboratório, com genes de interesse. Esse tipo de experimento já vem sendo desenvolvido, como o realizado pelo Craig Venter, onde foi inserido um número mínimo de genes necessários para a vida de um organismo, sintetizados em laboratório, numa célula de bactéria do gênero Mycoplasma, gerando uma forma de vida artificial. Esse vídeo  explica de maneira didática como isso pode ser feito.

Explicarei melhor os avanços desse fascinante campo num próximo post.

Até a próxima.