Microrganismos: nossas fábricas microscópicas

Danielle Biscaro Pedrolli e Patrick Neves Squizato

Biologistas sintéticos já vislumbram, inclusive, a construção de microfábricas completamente sintéticas, ou seja, formadas por moléculas de DNA sintéticas contendo um código sintético responsável por dirigir a síntese de proteínas sintéticas.

Apesar de não os vermos, os microrganismos estão em todos os ambientes: quentes, frios, expostos, protegidos, terrestres, aquáticos, extremos e amenos. Eles habitam nossas casas, nossos alimentos e até nossos corpos. São trilhões (4 x 1013) de bactérias habitando nosso corpo. Contando apenas estas, temos cerca de 30% mais células de bactérias em nosso corpo do que nossas próprias células (Sender et al., 2016). Mas o que chamamos de microrganismos ainda inclui os fungos (popularmente conhecidos como mofo ou bolor), as leveduras (como as do fermento biológico do pão), e os vírus. Do ponto de vista biológico, somos menos humanos do que aparentamos.

Nossos vizinhos e hóspedes microscópicos, apesar de invisíveis, não passam despercebidos. Alguns deles são velhos conhecidos por causarem gripes, micoses, diarreia, tuberculose. Apesar do grande incômodo, apenas uma pequena fração desses seres microscópios são agentes causadores de doenças. A grande maioria nos auxilia em tarefas corpóreas essenciais, como digerir os alimentos que consumimos e nos defender de patógenos. Outros são responsáveis pelas valiosas tarefas de decompor matéria orgânica e promover o crescimento de plantas. Utilizamos os microrganismos há mais de seis mil anos para preparar leites fermentados, iogurtes, queijos, cervejas, vinhos e pães. E na vida moderna, consumimos desde etanol combustível a medicamentos produzidos por microrganismos. Podemos dizer, portanto, que os microrganismos são nossas fábricas microscópicas ou microfábricas.

Apesar de consumirmos bebidas e alimentos fermentados há milhares de anos e possuirmos mais células microbianas do que células humanas em nosso corpo, o mundo microbiano só foi descoberto em 1665, por Robert Hooke. E a partir de 1880, as pesquisas de um outro Robert, o Koch, nos permitiram isolar e estudar individualmente as diferentes espécies de microrganismos. Mas a primeira revolução das microfábricas começou em 1942, quando a penicilina produzida por um fungo foi usada para curar uma pessoa com infecção bacteriana severa. Os trabalhos de Alexander Fleming, Ernst Chain, Howard Florey e Norman Heatley, entre 1928 e 1942, permitiram a produção e purificação massiva de penicilina em escala industrial. O feito alcançado é surpreendente até para os parâmetros atuais: aumento de 50 mil vezes na produção de penicilina em relação às primeiras tentativas realizadas por Fleming. Fato curioso nessa história foi que um dos pontos chave para o desenvolvimento do processo produtivo ocorreu quando a assistente do laboratório, incumbida de comprar frutas emboloradas no mercado local em Peoria (Illinois, Estados Unidos), voltou ao laboratório com um melão recoberto por um belo mofo dourado. Por acaso, esse bolor dourado acabou sendo o fungo Penicillium chrysogeum, capaz de produzir 200 vezes mais penicilina do que a espécie descrita por Fleming (Markel, 2013).

A partir daí, iniciaram-se as buscas por novos microrganismos e novas capacidades. Enzimas para processamento de sucos, ração animal e papel, uma gama de antibióticos, goma xantana, enzimas para tratamento de tecidos e limpeza de roupas, citrato, lactato, aminoácidos, vitaminas… muitos produtos de origem microbiana foram descobertos e passaram a ser produzidos em escala industrial.

Mas a gama de produtos naturalmente produzidos por microrganismos é limitada, e a busca intensiva por moléculas novas ou mais eficientes, e processos mais viáveis industrialmente, muitas vezes não resultou em sucesso. Esse problema começou a ser solucionado nos anos 1970, quando adquirimos a capacidade de modificar geneticamente os microrganismos. Bactérias geneticamente modificadas são usadas desde 1982 para produzir a insulina usada no tratamento de pessoas portadoras de diabetes. Antes disso, a insulina era extraída e purificada a partir do pâncreas de animais, principalmente porcos. Mas o tratamento com insulina animal frequentemente causava reações alérgicas. Além disso, o processo de extração apresentava baixo rendimento.

O DNA de uma célula funciona como um conjunto de softwares (os genes se enquadram aqui) dentro de um hardware chamado célula. Isso significa que as funções executadas pela célula estão codificadas no DNA. Para converter a informação codificada em função, a célula usa uma linguagem de programação universal, ou seja, células de espécies diferentes possuem softwares diferentes, mas a linguagem de programação usada é a mesma. Assim, modificar geneticamente um microrganismo significa dar a ele a informação necessária para realizar uma tarefa nova ou excluir a informação necessária para a realização de uma tarefa indesejada. Pode-se, por exemplo, excluir do DNA a informação sobre como sintetizar uma toxina, eliminando-se assim a capacidade do microrganismo em produzir essa toxina. Ou pode-se inserir no DNA a informação necessária para a síntese de uma substância, a insulina por exemplo, conferindo-se assim ao microrganismo a capacidade para a produção da insulina. Essa substância passa então a ser diferenciada da molécula produzida naturalmente pelo termo “recombinante”. E assim se faz um microrganismo geneticamente modificado por engenharia genética. Com a engenharia genética, veio a segunda revolução das microfábricas, que nos converteu de prospectadores a construtores. Vacinas recombinantes, enzimas recombinantes, hormônios recombinantes… nossas microfábricas foram ampliadas em variedade de produtos e eficiência de produção.

A engenharia genética nos permitiu copiar capacidades de um organismo e transferi-las a outro, ou eliminar capacidades indesejadas, o que só é possível pelo fato dos organismos usarem todos a mesma “linguagem de programação”. Mas, mesmo assim, as capacidades naturalmente disponíveis para serem copiadas são limitadas. Era necessária uma nova revolução, a terceira revolução, que chegou no início dos anos 2000, com o desenvolvimento e barateamento da síntese de DNA, nos convertendo de construtores a projetistas. Assim, a manipulação genética deixou de ser limitada pela existência de moldes que podiam ser copiados e passou a permitir também a criação de novas capacidades para as microfábricas (e para qualquer outro organismo). A capacidade de projetar e construir sistemas biológicos abriu terreno para o surgimento de uma abordagem nova dentro das ciências da vida, a biologia sintética.

Em essência, a biologia sintética visa à concepção de fábricas biológicas, microscópicas ou macroscópicas (por exemplo uma planta), de uma forma racional e sistemática. A biologia sintética propõe, portanto, a criação de células feitas de matéria biológica com funções não naturais, dentro de uma proposta de integração entre a biologia e a engenharia, para tornar o processo de desenvolvimento mais confiável, eficiente e previsível. Resgatando a analogia com a computação, seria como desenvolver softwares novos para comandar os hardwares existentes.

Um dos marcos dessa nova era das microfábricas foi a construção de um microrganismo capaz de produzir o ácido artemisínico, que é usado na síntese de uma potente droga antimalárica, a artemisinina. A obtenção da artemisinina natural ocorre a partir de extratos da planta artemísia em um processo de baixo rendimento incapaz de suprir a demanda pelo medicamento (Paddon e Keasling, 2014).

Cientistas ainda mais ambiciosos criaram microrganismos capazes de diagnosticar doenças, produzir matérias-primas em substituição a derivados do petróleo, produzir novos biocombustíveis, produzir células-combustível microbianas que geram eletricidade a partir de bactérias geneticamente modificadas, produzir bio-borracha, bio-acrílico, e até processar informação através de portas lógicas como as usadas em circuitos eletrônicos (ver “Current uses of synthetic biology for renewable chemicals, pharmaceuticals, and biofuels”). Alguns vão além, propondo uso das microfábricas diretamente dentro do corpo, ou seja, ao invés de produzir um fármaco industrialmente e depois administrá-lo ao paciente, a microfábrica poderia ser diretamente administrada à pessoa. Uma vez dentro do organismo humano, a microfábrica iniciaria sua produção do medicamento, liberando-se, em seguida, diretamente ao paciente.

Biologistas sintéticos já vislumbram, inclusive, a construção de microfábricas completamente sintéticas, ou seja, formadas por moléculas de DNA sintéticas contendo um código sintético responsável por dirigir a síntese de proteínas sintéticas. A primeira etapa desse processo já foi concluída quando microrganismos naturais tiveram seus cromossomos substituídos por versões sintéticas da molécula. O cromossomo sintético foi capaz de instruir a célula a desempenhar todas as suas funções básicas corretamente (Hutchison et al., 2016). Um passo mais complexo será o desenvolvimento de uma linguagem sintética para a célula. O desenvolvimento de células sintéticas, potencialmente, criará um isolamento dos microrganismos geneticamente modificados em relação aos naturais, impedindo qualquer tipo de disseminação de DNA modificado entre a microbiota natural.

As microfábricas são opções atrativas para substituir tanto o modelo de produção baseado na extração de compostos vegetais quanto na química industrial. Dentre as vantagens estão um processo produtivo livre da sazonalidade do cultivo vegetal, uma produtividade que pode ser manipulada para aumentar o rendimento do processo, a utilização de matérias-primas renováveis, podendo até ser adaptado para uso de resíduos agroindustriais, não gerar resíduos tóxicos ou poluentes, ter potencial para produção de moléculas complexas e não demandar condições extremas como alta temperatura e/ou pressão. E talvez o aspecto mais intrigante de todos, são as únicas fábricas que se reproduzem autonomamente.

Mas nem tudo são flores. O tema levanta importantes questões sobre regulação e segurança em relação ao uso massivo de organismos geneticamente modificados. Essas questões são especialmente relevantes quando se trata de microrganismos, pois estes podem ser extremante eficientes em se espalhar e colonizar ambientes por possuírem alta capacidade de adaptação, e ainda possuem a capacidade de transferir moléculas de DNA não só às células filhas, mas também aos microrganismos vizinhos. Por esse motivo, cientistas têm trabalhado na construção de sistemas de contenção biológica, capazes de induzir a morte das microfábricas e a destruição de seus DNAs sempre que necessário.

Além disso, ainda existem questões sociais e éticas que devem ser abordadas antes que as microfábricas sejam massivamente empregadas, principalmente em ambientes não controlados.

Danielle Biscaro Pedrolli é professora do Departamento de Bioprocessos e Biotecnologia da Faculdade de Ciências Farmacêuticas, na Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Rio Claro.

Patrick Neves Squizato é aluno de graduação em engenharia de bioprocessos e biotecnologia da Faculdade de Ciências Farmacêuticas, na Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Rio Claro.

Referências

“Current uses of synthetic biology for renewable chemicals, pharmaceuticals, and biofuels”. Biotechnology Industry Organization, 2013. Disponível em: https://www.bio.org/sites/default/files/files/2013-03-03-Synthetic-Biology-Products.pdf
Hutchison, C.A.; Chuang, R.Y; Noskov, V.N.; et al. “Design and synthesis of a minimal bacterial genome”. Science, vol. 351, n. 6280, aad6253 (p. 0-12), 2016.
Markel, H. “The real story behind penicillin”. PBS NewsHour, 2013. Disponível em: https://www.pbs.org/newshour/health/the-real-story-behind-the-worlds-first-antibiotic
Paddon, C.J.; Keasling, J.D. “Semi-synthetic artemisinin: a model for the use of synthetic biology in pharmaceutical development”. Nature Reviews Microbiology, vol. 12, p. 355–367, 2014.
Sender, R.; Fuchs, S.; Milo, R. “Are we really vastly outnumbered? Revisiting the ratio of bacterial to host cells in humans”. Cell, vol. 164, p. 337-340, 2016.