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

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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

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