Primeiro, trata-se de uma tecnologia com raízes em processos naturais e potencializada pela pesquisa científica pioneira do Brasil. As bactérias presentes nos inoculantes para FBN utilizam a enzima nitrogenase para catalisar a conversão do nitrogênio atmosférico (N₂) em amônia (NH₃), disponibilizando o nutriente presente na atmosfera para absorção pelas plantas. Bactérias do gênero Bradyrhizobium – também conhecidas como rizóbios – estão naturalmente presentes em leguminosas, criando uma relação simbiótica com essas plantas. As bactérias se alojam em nódulos criados nas raízes das plantas, onde obtêm nutrientes enquanto fornecem o nitrogênio assimilável. Foi através do estudo dessas bactérias e de seu papel na natureza que os inoculantes para FBN foram desenvolvidos e implementados em culturas como a soja.

Parte desse sucesso também é explicado pela busca, nas últimas décadas, por alternativas para redução da necessidade de agroquímicos. No caso da ureia, principal fertilizante utilizado globalmente para a disponibilização de nitrogênio, o processo de fabricação depende de combustíveis fósseis – recursos cada vez mais escassos, caros e associados à emissão de gases de efeito estufa (GEEs) e às mudanças climáticas.

Além disso, com a pressão dos mercados internacionais por modos mais sustentáveis de exercer as atividades agrícolas e industriais, o uso de fertilizantes sintéticos têm encarecido a produção de alimentos, recaindo sobre o bolso do consumidor final. Outro fator a se considerar é a dependência do Brasil do mercado exterior para importar seus fertilizantes, o que torna o país refém das instabilidades geopolíticas que encarecem o insumo, como no caso da Guerra da Ucrânia no início de 2022.

Solon Cordeiro de Araujo, consultor da ANPII e um dos maiores especialistas em FBN do Brasil, também vê no crescente processo de adoção dos inoculantes nas últimas décadas uma mudança de lógica na agricultura. “Durante uma certa época, pensava-se que o solo era apenas um repositório para segurar a planta, o alimento então poderia ser todo disponibilizado via adubo. Isso falhou totalmente”. Solon destaca como a degradação contínua do solo pelo uso intensivo de produtos químicos motivou diferentes setores a enxergarem-no como um organismo vivo, impulsionando o sucesso de iniciativas como a da Fixação Biológica de Nitrogênio na soja.

“O Brasil é um dos países mais abertos à inovação na agricultura. Assim como a indústria, a agricultura brasileira também é um setor dinâmico e bem receptivo a novas tecnologias que aumentem a produtividade e a sustentabilidade das atividades agrícolas”, comenta Araujo.

O impulso da Fixação Biológica de Nitrogênio nos anos 1970

O desenvolvimento, disseminação e sucesso da FBN na cultura da soja no Brasil é fruto de uma movimentação conjunta de instituições de pesquisa, órgãos do Estado e empresas produtoras de insumos agrícolas. Enquanto em meados dos anos 1970 diversos países investiram na produção e desenvolvimento de fertilizantes nitrogenados para uso agrícola, o Brasil optou por seguir outro caminho e explorar o potencial dos microrganismos para este mesmo fim.

Um grande expoente dessa história foi a pesquisadora Johanna Döbereiner (1924–2000). Atuante na Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (Embrapa), a agrônoma naturalizada brasileira investigou, ainda na década de 1950, bactérias do gênero Bradyrhizobium. Suas pesquisas influenciaram, a partir da década seguinte, o programa brasileiro de melhoramento da soja, o que contribuiu para a diminuição do uso de fertilizantes nitrogenados nas lavouras da cultura.

Seu trabalho também alavancou o conhecimento da ciência sobre os mecanismos microbiológicos envolvidos na nutrição vegetal, o que possibilitou o surgimento dos primeiros bioinsumos e inoculantes para a agricultura. Hoje, tais tecnologias são sinônimo de produtividade e sustentabilidade.

Expansão da soja

Não é possível falar sobre o desenvolvimento da FBN no Brasil sem mencionar a expansão da soja também na década de 1970. Até 1975, as lavouras de soja brasileiras se restringiam  ao Rio Grande do Sul, onde as características climáticas e do solo são muito similares às de outras regiões produtoras à época, em especial nos Estados Unidos. As décadas de 1960 e 1970 foram marcadas pelo aumento da demanda por soja no mercado mundial com fins de produção de ração para a pecuária, o que então valorizou o preço do grão no mercado global e alçou a soja à cultura de interesse para o Brasil.

Foi então que o Estado brasileiro, assim como os produtores rurais, passaram a enxergar a soja como um grão estratégico para o país, investindo em pesquisa e desenvolvimento de tecnologias que possibilitaram sua “tropicalização” e expansão para outras regiões do país, em especial a partir de 1975. Graças à ciência brasileira – notadamente na figura da Embrapa – novos cultivares adaptados a regiões tropicais foram desenvolvidos e o grão prosperou também nas regiões Centro-Oeste, Norte e Nordeste. 

Muito bem adaptada à sojicultura, a Fixação Biológica de Nitrogênio foi uma frente de biotecnologia agrícola que acompanhou e impulsionou a expansão da soja em direção ao Norte do país, possibilitando a redução de gastos com fertilizantes e aumentando a produtividade da cultura. A década de 1970, então, ficou marcada por uma confluência de fatores e esforços que culminaram na importância atual da soja para a agricultura brasileira.

Benefícios econômicos e ambientais 

O sucesso da Fixação Biológica de Nitrogênio nas plantações brasileiras de soja foi um dos elementos que contribuiu para que o país se tornasse o maior produtor mundial do grão. Um levantamento da Companhia Nacional de Abastecimento (Conab) de 2021 apontou que os cerca de 40 milhões de hectares plantados produziram  140 milhões de toneladas de soja.

A Conab projeta que a produção pode chegar a 150 milhões de toneladas na safra 2022/2023, o que significaria um cenário recorde para a produção. Em segundo lugar entre os maiores produtores de soja vem os Estados Unidos, que na safra 2020/2021 cultivaram 33 milhões de hectares e produziram 112 milhões de toneladas na safra 2020/2021, de acordo com o Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA, na sigla em inglês). O Brasil também se tornou, em 2020, o maior exportador mundial de soja. 

Além de contribuir com a consolidação da liderança brasileira na produção e comercialização da soja, a Fixação Biológica de Nitrogênio trouxe grandes economias ao produtor rural. Tecnologia barata e acessível, a FBN contribuiu para aumentar a competitividade da soja brasileira frente ao mercado interno e também global. Para se ter uma ideia, por conta da FBN, o Brasil economiza surpreendentes US$ 10,2 bilhões em fertilizantes nitrogenados por ano. Isso se deve principalmente aos custos mais baixos que o uso da FBN oferece ao produtor, se comparados aos de fertilizantes. Enquanto fertilizantes nitrogenados podem chegar a valores próximos de R$ 1.000,00 por hectare, o inoculante para FBN custa menos de R$ 50,00.

Isso sem mencionar as vantagens para o meio ambiente. Estima-se que cada quilograma de fertilizante nitrogenado sintético produzido seja responsável pela emissão de 10 kg de CO₂ equivalente (CO₂eq). Em função do emprego da FBN em cerca de 80% da área cultivada de soja no país, o Brasil deixa de emitir, anualmente, 430 milhões de toneladas de CO₂ para a atmosfera. 

Se os cerca de 40 milhões de hectares de soja brasileira não dispusessem da Fixação Biológica de Nitrogênio para fornecer o nutriente à planta, o país teria que importar muito mais fertilizantes químicos, aumentando os custos da produção e a emissão de gases de efeito estufa. Considerando a preocupação mundial com o avanço das mudanças climáticas, os inoculantes para FBN são uma tecnologia que contribui consideravelmente para o aumento da sustentabilidade agrícola.

Quer receber conteúdos como este diretamente no seu e-mail? Assine nossa newsletter!

Principais referências

Olmo, R.; Wetzels, S.; Armanhi, J.S.L.; Arruda, P.; Berg, G.; Cernava, T.; Cotter, P. D.; Araujo, S.C.; de Souza, R. S. C.; Ferrocino, I.; Frisvad, J. C.; Georgalaki, M.; Hansen, H. H.; Kazou, M.; Kiran, G. S.; Kostic, T.; Krauss-Etschmann, S.; Kriaa, A.; Lange, L.; Maguin, E.; Mitter, B.; Nielsen, M. O.; Olivares, M.; Quijada, N. M.; Romaní-Pérez, M.; Sanz, Y.; Schloter, M.; Schmitt-Kopplin, P.; Seaton, S. C.; Selvin, J.; Sessitsch, A.; Wang, M.; Zwirzitz, B.; Selberherr, E.; and Wagner, M. (2022). Microbiome research as an effective driver of success stories in agrifood systems – A selection of case studies. Front. Microbiol. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.834622

The post O sucesso da Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN) no Brasil first appeared on SYMBIOMICS.

As Soluções Baseadas na Natureza (SBN, ou NBS, do inglês Nature-Based Solutions) são aplicadas tanto no campo como na cidade e são benéficas para a biodiversidade, assim como para atividades econômicas e produtivas. Recentemente, esse tipo de solução tem sido adotada pela indústria como resposta à demanda por mais sustentabilidade, considerando a resolução de problemas enfrentados no âmbito das cidades, indústria, agricultura, entre outros. Nesse sentido, as SBN abrangem, por exemplo, abordagens restaurativas do meio ambiente a fim de proteger regiões de eventos climáticos extremos.

São alguns exemplos de Soluções Baseadas na Natureza:

• Reuso de água no contexto doméstico ou industrial;
• Conservação de mata nativa para evitar erosão de regiões habitadas;
• Restauração de ecossistemas e preservação de parques ecológicos para melhora de microclima das cidades;
• Áreas verdes para aumentar permeabilidade das cidades e evitar alagamentos;
• Conservação da biodiversidade em reservas e habitats naturais para diminuir contato de vetores de doenças com seres humanos;
• Tecnologias que mimetizam ou são baseadas em processos naturais a partir do estudo da biodiversidade e sua evolução.

Em suma, as Soluções Baseadas na Natureza fazem a conexão entre meio ambiente e comunidades, resolvendo problemas com soluções que se inspiram em processos que já ocorrem. Muitas dessas abordagens também são eficientes em termos de custos, uma vez que já existem previamente na natureza e são redirecionadas para solução de problemas socioeconômicos.

Esse uso dos processos naturais para resolução de problemas sociais é apontado por organizações internacionais como uma das alternativas para lidar com questões globais, como as mudanças climáticas, aumentando a sustentabilidade de diferentes atividades produtivas.

Soluções Baseadas na Natureza contra a crise climática no contexto da ONU

A noção de que a preservação e o equilíbrio dos ecossistemas pode trazer grandes benefícios à sociedade é um dos pilares das SBN. Pensando nisso, o termo ganhou destaque institucional na 26ª Conferência das Nações Unidas sobre Mudança do Clima (COP26), ocorrida em 2019. As SBN foram apontadas pela Cúpula do Clima como uma das nove estratégias prioritárias para enfrentamento das mudanças climáticas.

Em manifesto produzido como parte das discussões durante a COP26, a ONU classificou as SBN como “um componente essencial do esforço mundial para alcançar as metas do Acordo de Paris” e conclamaram as nações a “ampliar as SBN para mitigação, resiliência e adaptação em áreas-chave, garantindo a subsistência das populações em face das ameaças climáticas”. Entre as áreas apontadas pelo documento estão infraestrutura, desenvolvimento sustentável, restauração ambiental e agricultura.

Apesar da crescente importância do conceito no âmbito da mitigação e adaptação aos efeitos causados pela crise climática, ainda há muito espaço para implementação das SBN por governos e empresas. O Relatório sobre a Lacuna de Adaptação, lançado em 2020 pelo Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA), indicou que para que as SBN alcancem seu potencial como parte dos esforços para cumprimento do Acordo de Paris, ações mais enérgicas para além de planos e documentos precisam ser tomadas. Isso inclui maior investimento e estímulo à inovação em diferentes áreas como uma das ferramentas para atingir os Objetivos de Desenvolvimentos Sustentável (ODS).

As lições da natureza para uma agricultura mais sustentável (e produtiva)

Quando se fala em Soluções Baseadas na Natureza no contexto da agricultura, temos um triplo benefício:

• Conservação da biodiversidade e dos ecossistemas;
• Sequestro de carbono e diminuição do impacto ambiental das atividades agrícolas;
• Melhora da qualidade de vida e saúde de agricultores e da resiliência das culturas.

Nesse sentido, agricultores têm tirado lições da natureza para exercer um cultivo mais sustentável e que não crie mais problemas para a agricultura no futuro, além de melhorar a produtividade ou evitar perdas em diferentes contextos. Um trabalho publicado na revista científica Frontiers in Environmental Science mapeou, através de uma revisão de mais de 180 outros trabalhos científicos publicados, as principais funções exercidas pelas SBN na agricultura atualmente ou que são foco de pesquisas científicas para futura aplicação. Confira cinco delas a seguir.

1. Práticas sustentáveis

Agricultores que fazem uso de formas de manejo como agricultura regenerativa, agricultura de conservação ou agrofloresta. Na prática, os agricultores utilizam o próprio ecossistema presente, incluindo animais, plantas e microrganismos, além de seus serviços ecossistêmicos. Essas práticas incluem a rotação de culturas e o uso da biodiversidade nativa para enriquecer a terra com matéria orgânica e nutrientes.

2. Infraestrutura verde

Uso de determinadas espécies de vegetação, principalmente aquelas com tendência à formação de uma estrutura complexa de raízes, para estabilização de terrenos irregulares e evitar deslizamentos de terra, o que acarretaria em perdas de produtividade. Os autores do estudo apontaram que esse tipo de SBN indica uma perspectiva de “design de novos ecossistemas agrícolas”, utilizando recursos naturais para moldar o ambiente em favor da natureza, assim como da produção agropecuária.

3. Fitorremediação

Ao longo de sua evolução, as plantas encontraram sua própria maneira de restaurar ecossistemas. E é esse aspecto que é explorado em iniciativas de fitorremediação. Algumas dessas iniciativas e estudos utilizam determinadas espécies para dessalinizar solos, recuperar outros contaminados com excesso de pesticidas e até mesmo extrair metais pesados, como o mercúrio, de ambientes contaminados. No futuro, essas características podem ser potencializadas pela ciência para aprofundar o uso da fitorremediação como recurso para restauração de ecossistemas, beneficiando a agricultura assim como a natureza.

4. Biorremediação

Além das plantas, os microrganismos também têm grande importância na descontaminação e restauração de ecossistemas. De acordo com a pesquisa, esse tipo de abordagem tem sido alvo de diversas patentes depositadas, o que indica uma tendência de inovação por empresas e instituições de pesquisa. Mais especificamente, microrganismos como bactérias, algas, fungos e suas enzimas estão se tornando uma aposta como insumo para desenvolvimento de tecnologias capazes de remover poluentes – como alguns agroquímicos – de solos e rios.

5. Conservação da biodiversidade e mitigação das mudanças climáticas

Como uma atividade altamente dependente do contexto natural – como clima, solo, vegetação e condições bioquímicas – a agricultura só tem a ganhar com o manejo responsável dos recursos naturais, especialmente no longo prazo. Nesse sentido, a conservação da biodiversidade local por agricultores não tem apenas impacto na produtividade das lavouras, como também tem ganhado consequências positivas mais imediatas, como o reconhecimento e monetização de créditos de carbono e serviços ecossistêmicos. Apesar desses sistemas de precificação terem muito o que avançar ao redor do mundo, já estão se estabelecendo como tendência em diversos países, e a agricultura se mostra como parte essencial do processo.

A implementação dessas práticas, entretanto, não vem sem desafios. É preciso maior investimento e engajamento de governos, agricultores e instituições de pesquisa para que as SBN se disseminem na cadeia produtiva de alimentos e agropecuária.

Biotecnologia agrícola inspirada pela biodiversidade

Conforme as SBN ganham tração como alternativa para promoção da sustentabilidade na agricultura, novas tecnologias a partir de olhares para a natureza também são desenvolvidas. No caso da biotecnologia, cientistas aprendem com a biodiversidade para melhorar tanto a produtividade de plantações quanto sua tolerância a estresses ambientais. Essas inovações de base científico-tecnológica podem se inspirar em microrganismos, processos e genes presentes na natureza para solucionar problemas enfrentados hoje pela agricultura.

Pesquisadores e instituições como a Symbiomics utilizam ferramentas como a bioinformática e a genômica e processos como a bioprospecção microbiana para buscar e mapear microrganismos e seus genes com potencial para dar origem a produtos biológicos. Estes, por sua vez, serão capazes de tornar as plantas mais tolerantes à seca e outras adversidades, como aquelas causadas pelos eventos climáticos extremos.

As plantas, animais e microrganismos já existem há milhares de anos e desenvolveram diversas estratégias para enfrentar dificuldades para sobreviver. Estratégias essas que devem inspirar a humanidade a desenvolver processos, tecnologias e ferramentas com potencial para auxiliá-la a superar desafios enfrentados hoje e no futuro. 

Quer receber conteúdos como este diretamente no seu e-mail? Assine a nossa newsletter!

Principais referências

Simelton, E.; Carew-Reid, J.; Coulier, M.; Damen, B.; Howell, J.; Pottinger-Glass, C.; Van Der Meiren, M. (2021). NBS framework for agricultural landscapes. Front. Environ. Sci.. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.678367

Tiodar, E. D.; Văcar, C. L.; Podar, D. (2021). Phytoremediation and microorganisms-assisted phytoremediation of mercury-contaminated soils: Challenges and perspectives. Int. J. Environ Res. Public Health https://doi.org/10.3390/ijerph18052435

The post Soluções Baseadas na Natureza: definições e práticas first appeared on SYMBIOMICS.

A bioprospecção microbiana tem sido colocada em prática para aumentar o conhecimento da ciência sobre a biodiversidade de microrganismos na natureza e também como insumo para desenvolvimento de novas biotecnologias. Em resumo, a bioprospecção microbiana consiste em buscar, cultivar, armazenar e conhecer mais a fundo os microrganismos presentes nos diferentes biomas com o objetivo de descobrir seu papel e potencial biotecnológico.

Quem explica esse processo é Mariana Ramos Leandro, Lead Research Scientist da Symbiomics e bióloga molecular com experiência em isolamento de microrganismos promotores de crescimento e de tolerância a estresses ambientais em plantas.

“Hoje sabemos que a biodiversidade microbiana é riquíssima, principalmente nos biomas brasileiros. Vamos até esses diferentes ambientes e coletamos os microrganismos associados, por exemplo, aos solos”, ela explica. A depender dos objetivos da bioprospecção, os pesquisadores podem olhar para solos, animais ou, no caso do desenvolvimento de biotecnologia agrícola, para o microbioma das plantas. As amostras são coletadas e levadas ao laboratório para que os microrganismos sejam cultivados, isolados, identificados e então armazenados em coleções microbiológicas ou biobancos.

A bioprospecção também pode ser realizada in silico, ou seja, pela análise computacional de sequências genômicas. Através dessas análises, pesquisadores buscam associar trechos do DNA microbiano a funções específicas, com o objetivo de fomentar o desenvolvimento de ferramentas e produtos biotecnológicos. “Isso só é possível devido à grande quantidade de dados que tem sido gerada a partir do sequenciamento de metagenomas e genomas completos de microrganismos e sua análise a partir da bioinformática”, completa Mariana

A prospecção in silico se mostra como uma estratégia complementar para investigação desses microrganismos devido aos desafios associados ao cultivo de microrganismos selvagens em laboratórios. A maioria demanda ajustes específicos em parâmetros físico-químicos e nutricionais para crescimento, o que demonstra a complexidade envolvida em estudos microbianos dependentes de cultivo.

Bioprospecção e isolamento de microrganismos cultiváveis e não cultiváveis

Como resultado do processo evolutivo,  os microrganismos apresentam interdependências muito específicas entre as condições de sobrevivência junto a plantas e animais. Condições essas que são desafiadoras e difíceis de serem emuladas em ambientes controlados de laboratório, como uma placa de cultivo.

O cultivo de microrganismos é importante pois permite estudos mais aprofundados em laboratório. Além disso, o sucesso na etapa de cultivo também indica que tais microrganismos podem prosperar em condições controladas, demonstrando a possibilidade de composição de produtos biotecnológicos e de seu escalonamento para este fim.

“Os diferentes meios de cultivo, de certa forma, buscam mimetizar o ambiente em que os microrganismos vivem. Assim, conseguimos acessar a maior diversidade microbiana possível. É importante ressaltar, entretanto, que a maior parte dos microrganismos que se encontram em associação com as plantas, por exemplo, são dificilmente cultiváveis. É muito desafiador mimetizar exatamente o que acontece na natureza”, ressalta Mariana.

O processo de bioprospecção depende também de informações genéticas fornecidas pelo metagenoma. Quando o DNA de toda a comunidade microbiana é analisado, é possível observar uma disparidade significativa entre os microrganismos identificados através do metagenoma e aqueles que se desenvolvem em placas de cultivo no laboratório. A bioinformática permeia todo esse processo, e no caso dos microrganismos não cultiváveis, é ainda mais essencial preencher a lacuna deixada pela impossibilidade do cultivo em laboratório.

O desafio enfrentado hoje está em cultivar uma diversidade cada vez maior de microrganismos. “Esse processo de definir as formulações dos meios de cultivo é extremamente importante e é o que determina a dimensão da diversidade e da riqueza de microrganismos que conseguimos acessar”, explica Mariana.

O potencial biotecnológico da biodiversidade

Sobreviver na natureza é estressante. Os desafios variam conforme as condições e biomas e podem incluir seca, calor, escassez de nutrientes, alagamentos, alta salinidade, entre outros fatores. Mas as plantas que compõem a biodiversidade encontraram, ao longo de sua evolução, maneiras de tolerar esses estresses.

“Como os estudos vêm demonstrando, essas plantas nunca estão sozinhas. Existe um alto potencial do microbioma no auxílio à sobrevivência vegetal nesses ambientes”, coloca Mariana. Comunidades microbianas associadas às espécies vegetais cumprem papéis fundamentais em sua sobrevivência.

“De maneira geral, os solos brasileiros sofrem com intemperismo, possuem pH baixo e tendência à precipitação de minerais. Olhar para os ecossistemas brasileiros como janelas de oportunidades é o caminho para desenvolvermos tecnologias que auxiliem a agricultura a enfrentar seus desafios”, explica Mariana.

Biomas como a Amazônia – floresta tropical altamente densa e desenvolvida –, por exemplo, escondem em sua biodiversidade uma infinidade de genes, moléculas, mecanismos e processos bioquímicos de grande importância para o desenvolvimento vegetal. Características essas que inspiram o desenvolvimento de tecnologias capazes de transferir tais vantagens para plantas agricultáveis.

Aplicações na agricultura

Mas que tipo de tecnologia a bioprospecção microbiana pode gerar na prática? No caso da agricultura, produtos biológicos que auxiliem a disponibilização de nutrientes – os biofertilizantes – são apontados como uma promissora alternativa ao uso de fertilizantes químicos, insumo altamente difundido na agricultura mas cada vez mais custosos e de uso prejudicial ao meio ambiente, quando em excesso.

Alguns produtos baseados em microrganismos já são bastante difundidos na agricultura brasileira. Um dos maiores casos de sucesso são os inoculantes à base de Bradyrhizobium sp. para fixação biológica de nitrogênio (FBN), utilizados em mais de 80% da área plantada de soja no país. No entanto, apesar da alta taxa de adoção para esse tipo de biofertilizante no Brasil, a diversidade dos microbiomas e de suas funções junto a plantas ainda permanece pouco explorada no aspecto biotecnológico.

Os solos agricultáveis brasileiros têm alta deficiência de fósforo, nutriente essencial para geração de ATP, principal fonte de energia da planta e necessária aos mais diversos aspectos do crescimento vegetal. “O fertilizante fosfatado é muito utilizado na agricultura. Mas quando esse mineral entra em contato com a maioria dos solos brasileiros, grande parte é rapidamente precipitado devido a aspectos físico-químicos particulares, como o pH ácido. Isso causa a indisponibilidade do fósforo para a planta e seu acúmulo no solo e na água”, explica Mariana.

Assim, é preciso que os agricultores apliquem grande quantidade de fertilizantes fosfatados, da qual apenas uma pequena parcela é de fato utilizada pelas plantas. Essas práticas causam o acúmulo de nutrientes na natureza, o que vem se tornando um relevante problema.

“Ainda hoje é muito restrita a utilização de microrganismos. São poucas as espécies microbianas utilizadas na agricultura. Nisso há um grande potencial, que é o descobrimento de novos microrganismos que ainda não são utilizados para fins como disponibilização de nutrientes, mitigação de estresses ambientais e até mesmo como biodefensivos”, finaliza.

Quer receber conteúdos como este diretamente no seu email? Assine nossa newsletter!

The post Bioprospecção microbiana: o que é e qual sua importância? first appeared on SYMBIOMICS.

Essa expectativa vem na esteira de soluções ambientais, para a saúde humana e agricultura que estão em aplicação ou sendo desenvolvidas. As inovações em microbioma vêm se tornando uma grande aposta da ciência e da indústria para o futuro, na busca por tecnologias que sejam mais sustentáveis, no caso da agricultura e meio ambiente, e precisas, no caso da medicina. 

Os microbiomas são essenciais para a saúde global, do ambiente e humana. Mas essa importância só vem sendo melhor compreendida pela ciência através de novas ferramentas e conhecimentos, como a genômica, a ciência de dados e o entendimento sobre o papel das comunidades microbianas junto aos macrorganismos.

E é a partir desse conhecimento que novas tecnologias estão sendo desenvolvidas. Reunimos três potenciais inovações envolvendo tecnologias baseadas em microbioma que estão sendo desenvolvidas atualmente. Confira:

1. Monitoramento e sanitização contra patógenos

A pandemia de COVID-19, causada pelo vírus SARS-CoV-2, evidenciou a necessidade de tecnologias que possibilitem o monitoramento dos microrganismos presentes na natureza que tenham potencial para se tornarem patogênicos contra seres humanos, processo conhecido como spillover. É provável que o coronavírus que causou a pandemia da COVID-19 tenha “pulado” de morcegos para seres humanos. Esse processo também já resultou em outras doenças infecciosas, como é o caso da raiva e diversos tipos de gripe (influenza).

Pensando nisso, pesquisadores estão cada vez mais focados em melhorar o monitoramento do microbioma de animais, buscando mapear e acompanhar vírus e outros microrganismos patogênicos com algum potencial de infectar humanos. Um exemplo foi ilustrado por uma pesquisa, publicada em abril de 2022, que buscou identificar quais serão as áreas de concentração de 35 espécies de morcegos hospedeiros de vírus semelhantes ao SARS-CoV-2. Com o estudo foi possível projetar que, no futuro, será importante monitorar países como China, Laos, Vietnã e Tailândia, considerando a concentração de espécies de morcegos hospedeiras de coronavírus semelhantes ao SARS-CoV-2.

Esse tipo de iniciativa deve se tornar uma importante ferramenta epidemiológica para monitorar microrganismos com potencial de spillover. Com o avanço de campos como a metagenômica, será possível identificar patógenos de forma cada vez mais eficiente, associando a informação genética contida no microbioma de animais com sua capacidade de causar doenças.

Ambientes hospitalares

Ao mesmo tempo, outras iniciativas focam na avaliação do microbioma de ambientes mais específicos, como os ambientes hospitalares. O aumento da resistência de bactérias a antibióticos é um grande problema para o setor da saúde. Essa resistência é causada principalmente pelo uso indiscriminado dos antibióticos, o que acaba selecionando cepas mais resistentes de bactérias causadoras de doenças. Mais de 1 milhão de pessoas morrem por ano devido à resistência bacteriana a antibióticos.

Para contribuir com alternativas para esse problema, sistemas baseados em microbiomas para monitoramento e sanitização de ambientes hospitalares vêm sendo testados. O princípio é o seguinte: um microbioma desequilibrado, em que a presença dos diferentes microrganismos está desregulada, é propício para o surgimento de microrganismos resistentes que causem infecções. Quando se conhece esse desequilíbrio a nível mais específico, é possível saber em quais locais há maiores chances de proliferação desses patógenos. Além disso, produtos de sanitização contendo probióticos já estão sendo desenvolvidos para modular tais microbiomas, dificultando o surgimento de patógenos nesses ambientes.

2. Alternativas para lidar com o lixo

A vida moderna e o desenvolvimento da civilização humana trouxeram consigo um grande problema enfrentado hoje: o acúmulo de lixo e resíduos sólidos. Alguns desses resíduos, como é o caso do plástico, podem demorar mais de 400 anos para se decompor. Outros materiais, como o alumínio, podem demorar até 500 anos. Soma-se a essa dificuldade o fato de a humanidade produzir, em média, 2 bilhões de toneladas de lixo por ano. Só no Brasil, são 80 milhões de toneladas de resíduos descartados anualmente.

No caso dos eletrônicos, o descarte vem crescendo nas últimas décadas, tendo atingido globalmente mais de 53 milhões de toneladas em 2019. Há diversos metais e elementos de difícil decomposição nesse tipo de resíduo. A reciclagem de eletrônicos costuma ser feita através de métodos que permitam a extração de metais para composição de outros produtos. Para isso, o lixo eletrônico é aquecido a mais de 1.000ºC ou ácidos são utilizados para sua degradação. Em ambos os casos, há a geração de subprodutos prejudiciais ao meio ambiente.

E é por isso que cientistas estão interessados em bactérias que têm a capacidade de produzir químicos eficientes para quebra de metais como cobre e ouro. Esse tipo de processo é denominado “biolixiviação” e já está presente nas atividades de mineração, em que microrganismos são utilizados para extrair metais de minérios brutos. Essas tecnologias vêm sendo desenvolvidas nos últimos anos e no futuro podem se traduzir em novas opções para reciclagem do lixo eletrônico de forma mais sustentável, já que não geram subprodutos como os métodos tradicionais de extração.

Com relação aos plásticos, pesquisadores também buscam alternativas a partir de enzimas presentes em microrganismos que degradam os polímeros que compõem o material, facilitando sua reciclagem e aumentando a sustentabilidade do processo. O problema, entretanto, é que existem diferentes tipos de plásticos e, para isso, são necessárias diferentes enzimas com a capacidade de quebrar as cadeias de polímeros. Caso essas inovações se concretizem, também será possível reciclar materiais que não podem ser reciclados pelos processos mecânicos, como é o caso das roupas de material sintético.

3. Nova geração de produtos biológicos para a agricultura

Os produtos biológicos – ou bioinsumos – contendo microrganismos não são uma invenção nova. O Brasil, por exemplo, já utiliza bactérias do gênero Bradyrhizobium na cultura da soja desde a década de 1970, com o objetivo de favorecer a fixação biológica de nitrogênio (FBN). Hoje, 79% das plantações brasileiras de soja são tratadas com tais bactérias noduladoras, de acordo com a Associação Nacional dos Produtores e Importadores de Inoculantes (ANPII). Mas o avanço do conhecimento científico sobre os microbiomas, sua diversidade e funções junto às plantas demonstra que ainda existe potencial para uma nova geração de produtos biológicos, mais eficiente e que confira vantagens mais complexas a cultivares.

Estudos recentes utilizando técnicas avançadas de sequenciamento genético e computação têm demonstrado que o microbioma tem impacto direto na produtividade vegetal. Bactérias e fungos, por exemplo, são responsáveis por fornecer nutrientes para as plantas (como nitrogênio, fósforo e metais) e auxiliar na obtenção de água. Alguns microrganismos são capazes de produzir substâncias que aumentam a tolerância das plantas frente a condições estressantes como seca, garantindo a manutenção da produtividade mesmo em condições desfavoráveis. 

Quando consideramos questões como as mudanças climáticas, os microbiomas escondem um enorme potencial ao oferecer soluções que já existem na natureza para tornar as culturas mais tolerantes a estresses ambientais como seca, calor, entre outros. Para desvendar esse tesouro genético, a ciência está buscando nos biomas naturais microrganismos desconhecidos, seus genes e moléculas que possam ser a base de novos produtos biológicos no futuro.

Há ainda os microrganismos que produzem moléculas que auxiliam na defesa contra patógenos e pragas, podendo ser utilizados em substituição aos químicos comumente aplicados na lavoura. Nesse sentido, tecnologias baseadas em microbioma podem ser usadas para diminuir o uso de fertilizantes e defensivos. Considerando a toxicidade no excesso de uso de agroquímicos para a saúde ambiental e humana, esse talvez seja um dos grandes potenciais de produtos biológicos para promover a sustentabilidade na agricultura.

Principais referências

Caselli, E.; Brusaferro, S.; Coccagna, M.; Arnoldo, L.; Berloco, F.; Antonioli, P.; Tarricone, R.; Pelissero, G.; Nola, S.; La Fauci, V.; Conte, A.; Tognon, L.; Villone, G.; Trua, N.; Mazzacane, S. Reducing healthcare-associated infections incidence by a probiotic-based sanitation system: A multicentre, prospective, intervention study. PLoS One. (2018). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0199616

D’Accolti, M.; Soffritti, I.; Mazzacane, S.; Caselli, E. Fighting AMR in the healthcare environment: Microbiome-based sanitation approaches and monitoring tools. Int. J. Mol. Sci. (2019). https://doi.org/10.3390/ijms20071535

Muylaert, R. L.; Kingston T.; Luo, J.; Vancine, M. H.; Galli, N.; Carlson, C. J., John, S.; Rulli, M. C.; Hayman D. T. S. Present and future distribution of bat hosts of sarbecoviruses: Implications for conservation and public health. Proc. R. Soc. B. (2022). http://doi.org/10.1098/rspb.2022.0397

The post Inovação em microbioma: 3 oportunidades para o futuro first appeared on SYMBIOMICS.

A medida foi publicada após anúncio do ministro do Meio Ambiente, Joaquim Leite, no Congresso Mercado Mundial de Carbono, realizado no Rio de Janeiro entre os dias 18 e 20 de maio. O decreto atende à legislação que instituiu, em 2009, a Política Nacional sobre Mudança do Clima, que atribui ao poder executivo a responsabilidade de formular normas e processos para consolidação de uma economia de baixo carbono.

De acordo com o Governo, o objetivo do decreto é possibilitar a exportação de créditos para empresas e países que precisam cumprir metas de neutralidade de emissão de carbono. E estabelece as bases do que pode ser, no futuro, um mercado de créditos de carbono consolidado no Brasil. Para isso, a medida cria o Sistema Nacional de Redução de Gases de Efeito Estufa (Sinare), que deve centralizar os processos de comercialização e transferência de créditos de carbono.

Na prática, o decreto brasileiro é um avanço no sentido de estabelecer a fundação de um mercado carbono e políticas setoriais de redução de emissão de gases de efeito de estufa (GEE), mas ainda deixa muitas lacunas e atribui responsabilidades e definições a órgãos como os Ministérios da Economia e Meio Ambiente.

O texto dividiu especialistas, que apontam ser insuficiente para criar um mercado nos níveis do que já existe no âmbito internacional. Outros dizem que, apesar das lacunas, trata-se de um avanço, considerando que o país aguarda há anos por uma discussão madura sobre regulação e comercialização de créditos de carbono e a pauta das mudanças climáticas.

Ao que tudo aponta, a consolidação desse mercado no Brasil ainda tem um longo caminho pela frente. “Como fazer um projeto de crédito de carbono com uma linha de base setorial, tal como prevê o decreto? Esse é um desafio técnico que trará uma discussão longa e com muito desgaste político”, afirmou Ronaldo Seroa da Motta, professor da UERJ, em entrevista ao jornal Valor Econômico.

Outro fato que aponta para uma possível complexidade da discussão no futuro é o avanço na Câmara dos Deputados do projeto de lei 290/2020, que também institui normas para o mercado brasileiro de comercialização de créditos. No início deste ano o projeto iniciou a tramitação em regime de urgência para votação na Câmara. Se aprovado, o decreto do Governo Federal deverá sofrer adaptações para conciliar ambos os textos. 

Até onde vai o decreto

O texto publicado no Diário Oficial da União inaugura e define na legislação brasileira conceitos como crédito de carbono, crédito de metano e crédito certificado de redução de emissões – este último se referindo aos créditos registrados e oficializados no Sinare.

De acordo com o texto, essas políticas e regulamentações são elegíveis e devem ser aplicadas a setores específicos, no âmbito dos Planos Setoriais de Mitigação das Mudanças Climáticas. Cada um dos setores definidos em lei devem ter uma meta específica para redução de gases de efeito estufa, a serem definidas futuramente em conjunto com representantes e um Comitê Interministerial sobre Mudanças Climáticas – composto principalmente pelos Ministérios da Economia e Meio Ambiente. Os setores definidos são:

• Geração e distribuição de energia elétrica;
• Transporte público urbano e sistemas modais de transporte interestadual de cargas e passageiros;
• Indústria de transformação;
• Indústria de bens de consumo duráveis;
• Indústrias de químicas fina e de base;
• Indústria de papel e celulose;
• Mineração;
• Indústria de construção civil;
• Serviços de saúde;
• Agropecuária.

Apesar de definir conceitos, sistemas e alguns processos, o texto não esclarece como tais metas serão monitoradas, como isso se traduzirá no âmbito das empresas ou quais serão as medidas em caso de não cumprimento. Mesmo assim, trata-se de um passo no sentido de amadurecer a legislação brasileira sobre redução de emissões de gases de efeito estufa e de estabelecer ferramentas para o cumprimento de metas, como é o caso mercado de créditos de carbono.

Mercado de carbono regulado e voluntário

Ao redor do mundo, existem duas formas de mercados de carbono: os regulados e os voluntários. No caso dos regulados, a precificação do carbono ocorre pela taxação, pelo governo, por tonelada de carbono emitida pelas empresas ou então através dos sistemas de comércio de emissões, chamados cap and trade, em que metas são estabelecidas para setores e empresas. Quando superam o limite de emissão de carbono, essas instituições podem comprar créditos de outras que tenham emitido menos do que o limite definido. O decreto governamental aponta para o segundo modelo. 

Já no caso do mercado voluntário, as empresas e países definem suas próprias metas e para cumpri-las podem adquirir créditos, atestando, assim, aos clientes e à sociedade civil seu compromisso com a redução da emissão de GEEs. Em ambos os casos – regulado e voluntário –, os créditos devem ser certificados por sistemas governamentais ou agências independentes para atestar que representam, de fato, redução nas emissões de carbono.

Em 2021, as iniciativas reguladas de precificação do carbono movimentaram cerca de US$ 84 bilhões, um crescimento de 60% em relação ao ano anterior, de acordo com dados do Banco Mundial. O mercado já cobre cerca de 23% de todas as emissões de gases de efeito estufa no planeta. E esses números vêm crescendo ano a ano. No caso do mercado voluntário, estimativas apontam que este pode chegar a movimentar US$ 50 bilhões em 2030. 

Mercado global

Outro importante aspecto para contextualizar as movimentações brasileiras pelos créditos nacionais foi o estabelecimento de um mercado global de carbono durante a 26ª Conferência das das Nações Unidas sobre Mudança do Clima (COP26), ocorrida na Escócia em 2021. A reunião definiu que pelo mercado global será possível que países negociem créditos entre si, a fim de atingir metas nacionais estabelecidas.

A decisão oficializa cláusulas do Acordo de Paris estabelecido em 2016, também no âmbito da ONU, com o objetivo de reduzir as emissões de gases de efeito estufa e limitar o aumento médio da temperatura global a 2°C. O mercado global de carbono é mais um mecanismo para atingir esse objetivo.

Tecnologias para sequestro de carbono

As mudanças climáticas antropogênicas são causadas pelo acelerado desenvolvimento da civilização humana, ainda que a natureza sempre tenha tido seus próprios mecanismos para manter o equilíbrio dos diferentes ecossistemas. 

Florestamento e reflorestamento, uso de bioenergia, transição energética para fontes mais limpas – como eólica e solar –, adoção de agrofloresta, entre outras, são práticas alternativas, apontadas como “simples” e “naturais”, para reduzir as emissões de carbono na atmosfera. As florestas e oceanos são grandes maquinários capazes de sequestrar toneladas de carbono e apenas o ato de preservá-los já representa uma remoção considerável de CO₂ da atmosfera.

Para além das movimentações geopolíticas para frear a crise climática, diversos setores tomaram a responsabilidade para si no sentido de desenvolver mecanismos e processos que reduzam as emissões de GEEs e promovam a sustentabilidade nas atividades produtivas. É o caso das tecnologias para sequestro de carbono, ou seja, que agem para remover o carbono presente na atmosfera, seja diretamente do ar ou do ponto de emissão. Muitas das tecnologias hoje desenvolvidas nesse sentido são conhecidas por soluções baseadas na natureza (ou nature-based solutions, em inglês).

Mas será possível que no futuro tenhamos tecnologias que sequestram o carbono diretamente do ar? Empresas e instituições de pesquisa estão se inspirando nos processos e estratégias que ocorrem na natureza para desenvolver tecnologias que contribuam para sequestro de GEEs, assim como fazem as florestas e oceanos. 

Apesar de ainda raras e de se encontrarem em desenvolvimento, essas tecnologias têm grande potencial para contribuir com a tarefa árdua de diminuir as emissões de carbono no futuro – e até mesmo torná-las negativas em determinados contextos.

The post Mercado de carbono: Brasil dá primeiros passos first appeared on SYMBIOMICS.

As ômicas – entre elas a genômica, a transcriptômica, a metagenômica, a proteômica e a metabolômica – surgiram com a integração de grandes volumes de dados aos estudos das ciências biológicas sobre o DNA. Nesse sentido, bioinformática e biologia computacional estão intimamente relacionadas às Ciências Ômicas.

Nos estudos sobre os microrganismos, microbiomas e suas relações com hospedeiros e ambientes, as Ciências Ômicas são imprescindíveis. Para entender as funções de comunidades complexas de microrganismos junto a plantas – e, consequentemente, o papel funcional de seus genes –, a análise de grandes volumes de dados genômicos é essencial. Só assim é possível desenvolver produtos biológicos efetivos, seguros, escalonáveis e que tenham efeitos positivos em sua aplicação, inclusive na agricultura.

Conheça a seguir um pouco mais sobre algumas das Ciências Ômicas.

Genômica

Compreendem os estudos de toda informação hereditária de um organismo, codificada em seu DNA e transcrita em seu RNA, incluindo sequência de nucleotídeos, mapeamento de genes e funções. Trata-se de campos que se expandiram muito nas últimas décadas, impulsionados pelas novas tecnologias de sequenciamento genético e de análise de dados.

A genômica foi a primeira que surgiu entre as Ciências Ômicas, concebida pelo avanço das tecnologias de sequenciamento a partir da década de 1970. Outro marco importante para a genômica foi a criação de máquinas para sequenciamento automático de DNA, o que acelerou muito o processo de mapeamento do genoma. Tais avanços também impulsionaram o Projeto Genoma Humano, uma iniciativa internacional surgida em 1990 e finalizada em 2003 – com as últimas conclusões publicadas ainda recentemente, em março de 2022, na revista Science –, dando início a diversas outras iniciativas de sequenciamento de DNA. É o caso do Projeto Microbioma Humano, que se propôs a sequenciar e mapear todos os microrganismos que habitam os diferentes órgãos e tecidos humanos. O projeto foi finalizado em 2016.

Edição genômica

Não apenas o conhecimento sobre os genomas se expandiu, mas também a capacidade de manipulação do código genético. A edição genômica através de CRISPR (do inglês clustered regularly interspaced short palindromic repeats) já permite, entre outras aplicações, o desenvolvimento de plantas que apresentam maior produtividade ou tolerância a estresses ambientais. E o Brasil é pioneiro nesse sentido: em 2021, cientistas da Embrapa anunciaram o desenvolvimento da primeira cana-de-açúcar editada do mundo, com maior concentração de sacarose nos tecidos vegetais, facilitando a produção de etanol e outros produtos, sem DNA exógeno à planta.

A técnica de edição genômica foi reconhecida como uma das grandes descobertas científicas do século, inaugurando uma nova fase da engenharia genética. O desenvolvimento da edição genômica por CRISPR rendeu às pesquisadoras Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna o Prêmio Nobel de Química de 2020.

Transcriptômica

A transcriptômica se dedica ao estudo da transcrição do código genético. O RNA nada mais é do que a versão transcrita do DNA e age como molde para síntese das proteínas que compõem os diferentes órgãos, tecidos e moléculas de um organismo. Por isso, muitas das pesquisas que envolvem transcriptômica são voltadas para o entendimento de como variações em sequências de DNA impactam a expressão gênica. Ou seja, uma vez que a informação presente no código genético é traduzida por fim em proteínas, como a transcrição de DNA em RNA influencia o funcionamento de um organismo. Os estudos em transcriptômica podem envolver as diversas classes de RNA, como é o caso dos RNAs mensageiros (mRNAs) e microRNAs (miRNAs).

Metagenômica e metatranscriptômica

Metagenômica e metatranscriptômica são, respectivamente, as análises do código genético (DNA) e de sua transcrição (RNA) a partir de amostras ambientais, contemplando todos os organismos ali localizados. Muito utilizada no estudo dos microbiomas, a metagenômica consiste em decifrar a “sopa” genética formada por diferentes organismos habitantes de um mesmo ecossistema e por seus genes. Essa abordagem provê valiosos conhecimentos sobre semelhanças e diferenças genéticas entre os microrganismos, bem como sobre suas funções junto a outros seres vivos.

Antigamente, o estudo dos microrganismos era essencialmente restrito a culturas axênicas (ou seja, puras), obtidas a partir de metodologias para isolamento microbiano em meios de cultivo. Mas não foi até a década de 1990 que o sequenciamento total de amostras ambientais se tornou uma possibilidade. A metagenômica surgiu como uma importante ferramenta para entender e caracterizar a presença e diversidade de comunidades microbianas em ambientes ou hospedeiros. Conhecida também como genômica ambiental, a metagenômica é muito utilizada para investigar o microbioma humano, entendendo suas características, relações com doenças e também como ferramenta para a medicina de precisão.

Proteômica e metaproteômica

Indo um passo além, a proteômica é um termo guarda-chuva para o estudo – identificação e caracterização – das proteínas presentes em um organismos, ou no caso da metaproteômica, comunidades de microrganismos. Com a metaproteômica de solos, por exemplo, é possível identificar proteínas acumuladas por organismos, permitindo a caracterização das funções bioquímicas presentes em um ambiente.

A metaproteômica viabiliza a investigação das comunidades microbianas no que se refere aos produtos gênicos, contribuindo particularmente para o entendimento sobre o conjunto de proteínas produzidas por um organismo. Esse tipo de abordagem também já permite análises aprofundadas dos microbiomas, possibilitando a investigação das interações entre diferentes microrganismos e caracterização de sua fisiologia e metabolismo – este último, alvo de estudo da metabolômica.

Metabolômica

A metabolômica é a abordagem utilizada para identificar o resultado de vias e processos metabólicos, associando atividades de pequenas moléculas que atuam no interior das células, tecidos e órgãos – os metabólitos – à resposta a alterações em sistemas biológicos. Essa análise pode ser realizada em organismos complexos, como seres humanos, ou em comunidades de microrganismos.

A metabolômica aplicada aos microrganismos é uma área recente, mas que tem potencial para diversas aplicações, considerando o papel dos microbiomas na modulação do metabolismo de outros organismos, como as plantas. Trata-se de um campo que vem se estabelecendo nos últimos anos e está na ponta final das análises de subprodutos pesquisados pelas “ômicas” – seguindo o fluxo de informações do código genético, compreendido por DNA, RNA, proteínas e metabólitos. As análises metabolômicas são frequentemente combinadas com outras Ciências Ômicas, como a transcriptômica, para geração de dados mais robustos.

Multiômicas

A junção de duas ou mais dessas áreas é denominada de multiômica, considerando a importância da multidisciplinaridade entre os campos de conhecimento e o grande volume de dados necessário para insights sobre o funcionamento de sistemas biológicos a partir de seu código genético, composição bioquímica e estímulos ambientais.

As multiômicas têm sido apontadas como parte do caminho para o futuro da biotecnologia, seja em aplicações para a saúde humana, agricultura ou até mesmo para o meio ambiente. A combinação dessas áreas é o que há de mais avançado dentro da Biologia e possibilita uma visão ampla e mais precisa dos processos biológicos, suas causas e resultados. Essas análises andam de mãos dadas com campos como a ciência de dados e a bioinformática, devido aos grandes volumes de dados gerados a partir das “ômicas”.

Apesar do constante desenvolvimento necessário em todas essas vertentes de pesquisa, já é possível vislumbrar grandes aplicações biotecnológicas a partir das Ciências Ômicas. No caso da agricultura, o desenvolvimento de produtos biológicos de nova geração e outras tecnologias baseadas em microbioma é altamente dependente do conhecimento gerado a partir das análises “ômicas”.

Principais referências

Krassowski, M.; Das, V.; Sahu, S. K.; Misra, B. B. State of the field in multi-omics research: From computational needs to data mining and sharing. Front Genet. (2020). https://doi.org/10.3389/fgene.2020.610798

Kleiner, M. Metaproteomics: Much more than measuring gene expression in microbial communities. MSystems (2019). https://doi.org/10.1128/msystems.00115-19

Rochfort, S. Metabolomics reviewed: A new “omics” platform technology for systems biology and implications for natural products research. J. Nat. Prod. (2005). https://doi.org/10.1021/np050255w

The post O que são as Ciências Ômicas? first appeared on SYMBIOMICS.

No caso do microbioma, vem crescendo a visão sobre seu caráter sistêmico, em que microrganismos estão integrados entre si e a hospedeiros e ambientes, em um emaranhado genético resultante da coevolução e dependência para sobrevivência. Essa perspectiva também tem impulsionado o desenvolvimento de produtos biológicos que consideram a complexidade dos microbiomas e seu potencial para originar novas e inovadoras tecnologias para a agricultura e medicina.

Para entender melhor sobre as transformações pelas quais a Microbiologia tem passado nos últimos anos, Crhisllane Vasconcelos, Lead Data Scientist da Symbiomics, respondeu a algumas perguntas sobre como a genômica, a bioinformática e a análise de dados estão transformando o que entendemos sobre os microrganismos e suas aplicações biotecnológicas.

A visão sobre a microbiologia mudou muito nos últimos anos. O que a genômica tem a ver com isso?

Os pioneiros da microbiologia utilizavam fontes de nutrientes sólidas para isolar e identificar os microrganismos. Essa é uma frase bonita para dizer que tudo começou com cultivo de bactérias em fatias de batatas ou gelatinas, o que permite visualizar e contar colônias desses organismos. Essas técnicas de isolamento foram aprimoradas e são utilizadas até hoje na microbiologia. Por quase 300 anos, o estudo dos microrganismos foi realizado através de características morfológicas e da seleção de alguns perfis bioquímicos, algo que só mudou com o surgimento dos estudos genômicos. 

Nos últimos 20 anos, a utilização de técnicas genômicas levou à identificação de uma diversidade microbiana até então desconhecida, e os avanços dessas técnicas têm permitido, ainda, mapear variações metabólicas entre cepas bacterianas. Isso é, hoje temos não só o genoma completo de uma ampla diversidade de microrganismos, como também podemos correlacionar mudanças na expressão dos genes a ambientes diferentes.

Quais novas aplicações biotecnológicas já existem a partir dessas mudanças?

As aplicações são múltiplas e em diversas áreas. A utilização das tecnologias genômicas nos laboratórios de microbiologia médica, por exemplo, permite a detecção de microrganismos não cultiváveis, o rastreamento de mutações em genomas de microorganismos resistentes a antibióticos, além do rápido monitoramento de linhagens virais e suas mutações durante períodos de pandemia, algo que temos vivenciado nos últimos anos.

Indo além dos laboratórios médicos, o impacto da genômica na microbiologia é tão amplo que permite desde a identificação de genes presentes em comunidades microbianas associadas a plantas – para a busca de microrganismos que auxiliam as plantas na tolerância ao estresse hídrico, por exemplo – até a avaliação do impacto de fatores espaciais – como gravidade, radiação, perturbação circadiana e pressão atmosférica – em plantas e microrganismos submetidos a voos espaciais.  

Dizem que o avanço da ciência da computação é exponencial. Agora que biologia e ciência de dados estão se desenvolvendo juntas, dá para prever o que vem por aí?

Em 2000 foi publicado um artigo na revista Science sobre o futuro da bioinformática, e nele é possível ler a seguinte frase: “Qualquer um que faça qualquer biologia molecular certamente precisará fazer bioinformática”. E é basicamente isso que vivemos hoje, 22 anos depois. Atualmente, para se trabalhar com biologia molecular, é necessário um mínimo de conhecimento em bioinformática e ciência de dados.

Para o futuro vejo algo análogo a isso, integrando as ferramentas de aprendizagem de máquina, algo que no artigo de 2000 não era nem pensado. Qualquer um que venha a trabalhar com biologia molecular deverá ter um mínimo de conhecimento sobre inteligência artificial. Isso porque provavelmente teremos abordagens similares ao AlphaFold, por exemplo, o programa de inteligência artificial desenvolvido pela Google, para previsões da estrutura de proteínas, direcionadas para diversas áreas, incluindo as áreas clínicas. Ou seja, daqui em diante, serão cada vez mais comuns ferramentas que se utilizam da inteligência artificial, sendo capazes de mudar e impactar determinados setores, como o AlphaFold impactou a predição de estrutura de proteínas.

As universidades e instituições de pesquisa brasileiras estão acompanhando essas mudanças?

Para se ter uma ideia, o Brasil ficou entre os 30 países de maior impacto e qualidade nas publicações de bioinformática, ocupando a 26ª posição, em um levantamento realizado em 2020. Esse estudo considerou a relevância de trabalhos científicos na área com base no número de publicações e também de suas citações. Não é uma boa colocação, mas não é das piores. 

Metagenômica e transcriptômica são o que há de mais avançado em ciência envolvendo estudos em microbioma? Quais novas ferramentas e conhecimentos estão emergindo e o que possibilitam?

O termo metagenoma foi utilizado pela primeira vez em 1998 referindo-se ao conjunto de genomas de bactérias e fungos em amostras ambientais. O estudo dos metagenomas permite descrever apenas a presença de microorganismos e de seus genes, faltando o acesso a uma informação crucial, sobre a expressão de seus genes. Assim, para extrair insights mais profundos sobre o comportamento de uma determinada comunidade microbiana – frente a variações ambientais, por exemplo – é necessário utilizar a metatranscriptômica, que se refere ao estudo do conjunto dos transcritos expressos por essa comunidade.

No entanto, o que temos de ainda mais avançado hoje é a união das áreas “ômicas”. Isso envolve, por exemplo: a integração da metagenômica com dados genéticos dos microrganismos em um determinado ambiente, da metatranscriptômica com dados de expressão de transcritos em uma comunidade microbiana a nível de RNA, a metaproteômica caracterizando essa expressão gênica a nível de proteína, e a metabolômica identificando o resultado dos processos metabólicos. A ligação de todas essas áreas permitirá uma compreensão maior acerca do real comportamento de uma comunidade microbiana em um ambiente.

The post Como a ciência de dados está transformando a microbiologia first appeared on SYMBIOMICS.

As plantas, por exemplo, são colonizadas por milhares desses seres invisíveis a olho nu, que participam de diversas funções importantes para sobrevivência vegetal, como:

• Fornecimento de nutrientes, como nitrogênio, fósforo e potássio (NPK);
• Auxílio na obtenção de água;
• Aumento de tolerância a estresses ambientais como seca, calor, excesso de água, entre outros;
• Defesa contra pragas e doenças.

Hoje, tecnologias baseadas em atividades microbianas como essas já existem no mercado de insumos agrícolas como produtos biológicos, coquetéis de microrganismos capazes de conferir alguma vantagem ao desenvolvimento vegetal. 

Entre eles, estão os defensivos biológicos, capazes de proteger a planta de pragas, e os bioestimulantes ou biofertilizantes, que cumprem o papel de melhorar a produtividade vegetal, ajudar na absorção de nutrientes pelas plantas ou na biodisponibilização de minerais presentes no solo.

Microbioma X Microbiota

O conceito de microbioma vem sendo consolidado apenas recentemente. Até então, o termo “microbiota” era o mais comum, e utilizado para descrever determinadas comunidades microbianas presentes em um ambiente ou hospedeiro (como a microbiota intestinal em seres humanos, por exemplo). Hoje, pesquisadores defendem o uso do termo “microbioma” como parte deste vocabulário descritivo para refletir de forma mais acurada os recentes avanços científicos na área englobando, nesta definição, características, funções e genomas dos microrganismos.

Nesse sentido, o microbioma inclui não apenas a totalidade de microrganismos presentes em um ambiente ou hospedeiro, mas também seu “teatro de atividade”, que nada mais é que todo repertório de funções e de moléculas produzidas pelos microrganismos, como metabólitos e ácidos nucleicos. Já a microbiota compreende apenas os microrganismos que fazem parte do microbioma.

Quando falamos em microbioma humano, hoje sabemos que todo o corpo é colonizado por microrganismos que formam uma importante linha de defesa contra patógenos e garantem o bom funcionamento do organismo. Recentemente, diversas pesquisas têm descoberto que a disbiose (ou desequilíbrio) da microbiota humana intestinal, por exemplo, está relacionada uma maior suscetibilidade de doenças, como:

• Doenças cardiovasculares;
• Diabetes tipo 2;
• Síndromes metabólicas;
• Alzheimer;
• Parkinson;
• Esclerose múltipla;
• Doenças autoimunes.

Esses exemplos demonstram que a ciência compreende, cada vez mais, que os microrganismos que habitam nosso corpo estão associados a uma infinidade de funções e são importantes promotores da homeostase. Isso é verdadeiro também para as plantas, conhecimento que está gerando uma onda de inovação biotecnológica principalmente na agricultura, como veremos a seguir.

Microbioma na agricultura: terreno fértil para inovação frente às mudanças climáticas

A agricultura lida hoje com um conjunto de desafios que ameaçam sua produtividade, como as mudanças climáticas e a maior recorrência de eventos extremos, como chuva e calor. No Brasil, fenômenos como secas mais intensas, alterações no regime de chuvas e aumento das temperaturas já assolam as lavouras e são atribuídos pela ciência à crise climática. Este é um problema real e que demanda adaptação global.

Além disso, a derrubada de florestas e o uso extensivo da terra e fertilizantes são os principais fatores que contribuem para a emissão de gases de efeito estufa no Brasil. Assim, há muito a ser transformado na maneira como encaramos e conduzimos a agricultura, tanto em uma perspectiva de mitigação dos efeitos causados pelas mudanças no clima, como de adaptação das lavouras aos mesmos.

A inovação biotecnológica é um dos caminhos mais promissores para tornar a agricultura mais sustentável e também ajudar a adaptação das lavouras aos estresses ambientais que acarretam perda de produtividade vegetal. E é aí que chegamos às tecnologias baseadas em microbioma.

Os produtos biológicos contendo microrganismos não são novos. No Brasil, os inoculantes contendo bactérias do gênero Bradyrhizobium, que contribuem com a fixação biológica de nitrogênio (FBN) em leguminosas como a soja, são produtos altamente disseminados desde a década de 1970. Para se ter uma ideia, na safra de 2019/2020, 79% da área de soja plantada nacionalmente foi tratada (inoculada)  com produtos à base de Bradyrhizobium, de acordo com dados da Associação Nacional de Produtores e Importadores de Inoculantes (ANPII).

O que tem mudado na última década é o entendimento da ciência sobre o microbioma e o surgimento de novas e mais eficientes ferramentas para investigá-lo. A genômica, metagenômica (análise do conjunto de genomas de uma comunidade microbiana) e a ciência de dados (data science) possibilitam hoje uma compreensão mais aprofundada do funcionamento holístico dos microrganismos colonizadores de um hospedeiro, como é o caso das plantas. Essa interação resulta em uma grande diversidade de resultados positivos: da indução de tolerância à seca, passando pelo aumento de biomassa e mitigação dos eventos de inundações.

E isso tudo acontece à nossa volta, até mesmo nos ambientes mais inóspitos. Graças à seleção natural e à coevolução dos microrganismos junto aos seres mais complexos, o microbioma é parte essencial da sobrevivência de espécies de plantas nativas em ambientes estressantes, por exemplo.

Uma pesquisa conduzida ao longo de 10 anos no deserto do Atacama, no Chile – notório pela seca e intensa escassez de nutrientes no solo – mapeou o genoma de diversas bactérias que colonizam as espécies vegetais endêmicas. O estudo revelou que as bactérias encontradas estão associadas a diversas características necessárias à sobrevivência das plantas em condições estressantes, como tolerância à seca, fixação de nitrogênio e estímulo da produção de hormônios vegetais.

Diversas instituições de pesquisa e empresas – como é o caso da Symbiomics – investigam as relações planta–microbioma que ocorrem na natureza para desenvolver uma nova geração de produtos biológicos que conferem vantagens às culturas agrícolas. Essas tecnologias têm grande potencial não apenas para garantir a produtividade agrícola frente os estresses causados pelas mudanças climáticas, mas também para contribuir com soluções inovadoras – como a aplicação de microrganismos robustos e eficientes no sequestro de carbono presente na atmosfera.

Principais referências

Berg, G.; Rybakova, D.; Fischer, D. Microbiome definition re-visited: old concepts and new challenges. Microbiome (2020). https://doi.org/10.1186/s40168-020-00875-0

Eshel, G.; Araus, V.; Undurraga, S.; Soto, D. C.; Moraga, C.; Montecinos, A.; et al. . Plant ecological genomics at the limits of life in the Atacama Desert. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. (2021). https://doi.org/10.1073/pnas.2101177118

Cryan, J. F.; O’Riordan K. J.; Sandhu, K.; Peterson, V.; Dinan, T. G. The gut microbiome in neurological disorders. The Lancet Neurology (2019). https://doi.org/10.1016/S1474-4422(19)30356-4

Armanhi, J. S. L.;  Souza, R. S. C.; Biazotti B. B.;  Yassitepe, J. E. C. T.; Arruda, P. Modulating drought stress response of maize by a synthetic bacterial community. Frontiers in Microbiology. (2021)  https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.747541

Muscogiuri, G.; Cantone, E.; Cassarano, S. Gut microbiota: a new path to treat obesity. Int J Obes Supp (2019). https://doi.org/10.1038/s41367-019-0011-7

Zheng, D.; Liwinski, T.; Elinav, E. Interaction between microbiota and immunity in health and disease. Cell Res. (2020). https://doi.org/10.1038/s41422-020-0332-7

The post Afinal, o que é o microbioma? first appeared on SYMBIOMICS.

A guerra entre os países evidenciou ainda mais o problema, já que o Brasil depende do mercado exterior para importar cerca de 85% do insumo, de acordo com a Anda (Associação Nacional para Difusão de Adubos), e as importações foram dificultadas pelo conflito na região – que é a principal produtora dos fertilizantes NPK (nitrogênio, fósforo e potássio) comprados pelo Brasil. 

Devido ao problema, o Governo Federal acelerou o lançamento do Plano Nacional de Fertilizantes (PNF), que reúne medidas para melhorar a disponibilidade do insumo no país e desenvolver novas tecnologias em fertilizantes até 2050.

A crise já vem gerando um efeito cascata na economia e contribuindo para provocar a alta de combustíveis e alimentos – problema que deve persistir mesmo após o fim do conflito. As jazidas de potássio ativas exploradas para produção de fertilizantes estão se esgotando ao redor do planeta, encarecendo o insumo, e cresce a necessidade de se explorar fontes alternativas de fertilização do solo. 

O desenvolvimento de produtos biológicos baseados em microrganismos que atuem na disponibilização desses nutrientes é apontado por especialistas como um caminho promissor para diminuir seu uso no futuro e tornar a agricultura mais sustentável.

Essas tecnologias são desenvolvidas com o objetivo de conferir alguma vantagem produtiva a determinados cultivares. Elas se diferenciam dos chamados agroquímicos pois se baseiam em microrganismos e nas funções que agregam junto a plantas, no caso de bioestimulantes e biofertilizantes, ou para controle de pragas, no caso dos defensivos biológicos.

Soluções baseadas em microrganismos

Já existem no mercado brasileiro produtos biológicos com microrganismos que atuam na disponibilização de minerais. Os produtos não substituem os fertilizantes químicos, mas aumentam sua eficácia, possibilitando um manejo mais econômico do insumo. O problema é que ainda há poucas soluções baseadas em microrganismos utilizadas no Brasil e no mundo.

De acordo com Solismar Venzke Filho, consultor com experiência em uso de biológicos, uma solução interessante que tem crescido no Brasil é o uso de pó de rocha ou remineralizadores associado a microrganismos. 

“São as chamadas rochas silicatadas. Elas têm um teor mais baixo de nutrientes do que os sais que vêm nos fertilizantes e sua solubilidade é menor também. Mas se juntarmos os microrganismos, uma fonte orgânica de carbono e o pó de rocha, ocorre uma solubilização desses nutrientes”, explica Venzke Filho.

Apesar desse método liberar menor quantidade de nutrientes em um primeiro momento, tem potencial para uma disponibilização contínua de minerais, contribuindo para a fertilização do solo a longo prazo. Além disso, trata-se de um método mais barato e sustentável, já que os remineralizadores são subprodutos dos processos de mineração que seriam descartados. 

De acordo com Venzke Filho, entretanto, alguns fatores ainda representam empecilhos para maior disseminação desse tipo de produto associado a biológicos disponíveis hoje, como o manejo específico e falta de conhecimento técnico para aplicação e acompanhamento. 

E ainda há muito espaço para inovar nas tecnologias baseadas em microbioma. Ferramentas como a edição genômica e machine learning estão permitindo a prospecção e reprogramação de microrganismos encontrados na natureza para que sejam mais eficientes na disponibilização de minerais para as plantas. No futuro, esses produtos baseados em microbioma terão grande potencial para diminuir a dependência agrícola de fertilizantes, aumentando a eficiência da fertilização ou contribuindo para o melhor aproveitamento dos que já existem no solo.

Apesar do potencial, para Solon Cordeiro de Araujo, microbiologista com mais de 50 anos de experiência na área de inoculação para fixação biológica de nitrogênio (FBN), é improvável que os biológicos cheguem a substituir os fertilizantes químicos. “Eu não vejo isso como uma possibilidade. É uma luta mais ou menos constante. Se nós conseguirmos desenvolver tecnologias que reduzam de 50% a 70% o uso de produtos químicos, já seria um ganho fantástico para sociedade como um todo, principalmente em termos de sustentabilidade na agricultura”, explica. 

Segundo ele, os produtos contendo microrganismos devem se inserir na lavoura como um complemento que permite maior eficácia dos insumos e melhor aproveitamento de nutrientes já existentes no solo, diminuindo a dependência dos fertilizantes químicos. 

Um mercado em expansão

Hoje, os produtos biológicos mais disseminados na agricultura brasileira são aqueles que contêm bactérias fixadoras de nitrogênio e auxiliam culturas como a soja na absorção mais efetiva desse nutriente do solo. Na safra de 2019/2020, 79% da soja plantada no país recebeu inoculação com Bradyrhizobium, uma das bactérias utilizadas para fixação de nitrogênio, de acordo com a ANPII (Associação Nacional de Produtores e Importadores de Inoculantes).

O uso desse tipo de inoculante, por aumentar a produtividade da cultura, é uma opção para auxiliar agricultores a reduzir o uso de fertilizantes nitrogenados químicos, que se acumulam no solo e na água e prejudicam o meio ambiente. Além disso, devido ao seu baixo impacto ambiental e na saúde humana, muitos desses produtos são enquadrados em especificações de referência (ERs) de órgãos reguladores para produção de orgânicos e podem ser utilizados para produção desses alimentos. 

Nos últimos anos, o mercado de biológicos tem passado por um intenso crescimento, na esteira do interesse de agricultores e consumidores por soluções inovadoras no campo com baixo impacto ambiental. O mercado mundial de controle biológico foi avaliado em US$ 2,8 bilhões em 2020, com projeções para ultrapassar US$ 11 bilhões em 2025. Somente no Brasil, uma estimativa da consultoria Blink apresentada pela CropLife Brasil em 2021 é que esse mercado dobre de tamanho até 2030, atingindo R$ 3,69 bilhões. 

Esse crescimento, impulsionado pelas demandas por soluções agrícolas sustentáveis, também vem sendo acompanhado pelo grande aumento de aprovações no âmbito regulatório. Até 2021, 503 dos chamados produtos biológicos de baixo impacto haviam sido aprovados para uso em lavouras brasileiras pelo Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA). Mais da metade dos registros (284) são dos últimos 4 anos, com 92 deles apenas em 2021.

Quase todos esses produtos são para controle biológico de pragas, incluindo bioinseticidas, bionematicidas, biofungicidas e bioacaricidas. Há escassez, entretanto, de produtos de base microbiológica que ofereçam outras possibilidades e soluções inovadoras. Especialmente considerando os novos desafios que o setor agrícola vem enfrentando, em meio à crise de abastecimento de fertilizantes e mudanças climáticas.

“Durante um certo período se pensava que o solo seria apenas um repositório para fixar a planta e que os nutrientes seriam concedidos através de adubação e fertilização. Isso falhou totalmente. O solo começou a se degradar, junto com a produtividade. Hoje já se sabe que além do conhecimento físico e químico sobre a lavoura, também é preciso entender sua microbiologia”, explica Araujo. “Todos os fenômenos que ocorrem na planta estão, de alguma forma, intrinsecamente ligados aos microrganismos”, finaliza.

The post Biológicos podem ajudar a diminuir a dependência de fertilizantes químicos? first appeared on SYMBIOMICS.