Polvos, lulas, chocos e seus parentes cefalópodes são especialistas em camuflagem, capazes de mudar instantaneamente a cor de sua pele para se misturar ao ambiente. Essa transformação extraordinária é impulsionada por um pigmento natural chamado xantomatina, que desempenha um papel crucial na coloração de sua pele.

Por muitos anos, pesquisadores e até mesmo organizações de defesa se mostraram fascinados pelas qualidades responsive a luz da xantomatina. No entanto, replicar e estudar esse pigmento em laboratório tem se mostrado extremamente complicado – até agora.

Em um novo avanço do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego, os cientistas conseguiram criar um método para produzir grandes quantidades de xantomatina. Este marco representa um grande progresso na decodificação de como os animais alcançam suas notáveis habilidades de camuflagem.

Bactérias Transformadas em Fábricas de Pigmento Natural

Utilizando uma abordagem inspirada biologicamente, a equipe de pesquisa conseguiu gerar o pigmento dentro de bactérias, alcançando níveis de produção até 1.000 vezes maiores do que os métodos anteriores. Essa inovação pode abrir caminho para novos usos sustentáveis em materiais e cosméticos, incluindo aplicações em fotoeletrônicos, revestimentos térmicos, corantes e produtos protetores contra UV.

“Desenvolvemos uma nova técnica que acelerou nossas capacidades de produzir um material, neste caso, a xantomatina, em uma bactéria pela primeira vez,” afirmou Bradley Moore, autor principal do estudo e químico marinho com cargos no Scripps Oceanography e na Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences da UC San Diego. “Esse pigmento natural é o que confere ao polvo ou à lula sua capacidade de camuflagem – um superpoder fantástico – e nossa conquista em avançar a produção desse material é apenas a ponta do iceberg.”

Publicada hoje (3 de novembro) na Nature Biotechnology, a pesquisa recebeu apoio dos Institutos Nacionais de Saúde, do Escritório de Pesquisa Naval, da Fundação Nacional Suíça para a Ciência e da Fundação Novo Nordisk.

De acordo com os pesquisadores, essa conquista não só aprofunda nossa compreensão das bases biológicas e químicas da coloração animal, mas também destaca uma nova e poderosa biotecnologia. A mesma técnica pode ser utilizada para criar outros compostos valiosos, ajudando as indústrias a transitar de produtos baseados em petróleo para materiais mais sustentáveis e inspirados na natureza.

Um Pigmento Promissor

Além dos cefalópodes, a xantomatina também está presente em insetos do grupo dos artrópodes, contribuindo para os brilhos laranja e amarelo das asas das borboletas monarca e os vermelhos vibrantes de corpos de libélulas e olhos de moscas.

Apesar das fantásticas propriedades de cor da xantomatina, ela é pouco conhecida devido a um desafio persistente de fornecimento. A colheita do pigmento de animais não é escalável nem eficiente, e os métodos tradicionais de laboratório são intensivos em mão de obra, dependendo de sínteses químicas que têm baixo rendimento.

Pesquisadores do Laboratório Moore no Scripps Oceanography buscaram mudar essa situação, trabalhando com colegas da UC San Diego e do Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability na Dinamarca para projetar uma solução, uma espécie de ciclo de retroalimentação de crescimento que eles chamam de “biossíntese acoplada ao crescimento”.

A forma como bioengenheiraram o pigmento de polvo, uma substância química, em uma bactéria representa uma nova abordagem em relação às típicas abordagens biotecnológicas. Sua estratégia interligou a produção do pigmento com a sobrevivência da bactéria que o produziu.

“Precisávamos de uma abordagem totalmente nova para resolver esse problema,” disse Leah Bushin, autora principal do estudo, agora membro do corpo docente da Universidade de Stanford e ex-pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório Moore do Scripps Oceanography, onde seu trabalho foi realizado. “Basicamente, encontramos uma maneira de enganar as bactérias para produzirem mais do material que precisávamos.”

Normalmente, quando pesquisadores tentam fazer um micro-organismo produzir um composto estranho, isso gera uma grande carga metabólica. Sem uma significativa manipulação genética, o micro-organismo resiste a desviar seus recursos essenciais para produzir algo desconhecido.

Ligando a sobrevivência da célula à produção de seu composto alvo, a equipe conseguiu enganar o micro-organismo para criar a xantomatina. Para isso, começaram com uma célula “doente” geneticamente engenheirada, que só podia sobreviver se produzisse tanto o pigmento desejado quanto um segundo químico chamado ácido fórmico. Para cada molécula de pigmento gerada, a célula também produzia uma molécula de ácido fórmico. O ácido fórmico, por sua vez, fornece combustível para o crescimento celular, criando um ciclo autossustentável que impulsiona a produção do pigmento.

“Fizemos com que a atividade através desse caminho, de produzir o composto desejado, fosse absolutamente essencial para a vida. Se o organismo não produzir xantomatina, não crescerá,” disse Bushin.

Para estimular as bactérias a produzirem ainda mais pigmento, os pesquisadores recorreram à robótica e automação. Utilizaram sistemas robóticos para guiar os micro-organismos através de duas rodadas de evolução laboratorial adaptativa de alto rendimento, um processo projetado para ajudar as células a aprimorar gradualmente seu desempenho. Esse método avançado foi desenvolvido pelo laboratório do coautor do estudo Adam Feist, professor no Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering da UC San Diego Jacobs School of Engineering e cientista sênior no Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability.

A equipe também utilizou softwares de bioinformática especializados do Laboratório Feist para identificar mudanças genéticas que aumentaram a produtividade dos micro-organismos. Essas mutações chave permitiram que as bactérias engenheiradas produzissem o pigmento de maneira eficiente usando apenas uma única fonte de nutrientes.

“Este projeto oferece um vislumbre de um futuro onde a biologia possibilita a produção sustentável de compostos e materiais valiosos por meio de automação avançada, integração de dados e design computacionalmente orientado,” disse Feist. “Aqui, mostramos como podemos acelerar a inovação na biomanufatura reunindo engenheiros, biólogos e químicos usando algumas das técnicas mais avançadas de engenharia de cepas para desenvolver e otimizar um novo produto em um tempo relativamente curto.”

Abordagens tradicionais produzem cerca de cinco miligramas de pigmento por litro “se você tiver sorte”, disse Bushin, enquanto o novo método rende entre um a três gramas por litro.

Transitar das fases de planejamento para a experimentação real no laboratório levou vários anos de trabalho dedicado, mas assim que o plano foi colocado em prática, os resultados foram quase imediatos.

“Foi um dos meus melhores dias no laboratório,” relembrou Bushin sobre o primeiro experimento bem-sucedido. “Eu havia configurado o experimento e o deixado durante a noite. Quando cheguei na manhã seguinte e percebi que funcionou e estava produzindo muito pigmento, fiquei radiante. Momentos assim são os que me motivam a fazer ciência.”

Próximos Passos

Moore prevê que essa nova metodologia biotecnológica, completamente inspirada na natureza e não invasiva, transformará a maneira como os bioquímicos são produzidos.

“Realmente disruptamos a forma como as pessoas pensam em como você pode engenheirar uma célula,” afirmou. “Nosso enfoque tecnológico inovador provocou um enorme salto na capacidade de produção. Este novo método resolve um desafio de fornecimento e pode agora tornar esse biomaterial muito mais amplamente disponível.”

Enquanto algumas aplicações desse material são futuristas, os autores notaram um interesse ativo do Departamento de Defesa dos EUA e de empresas de cosméticos. Segundo os pesquisadores, colaboradores estão interessados em explorar as capacidades de camuflagem natural do material, enquanto empresas de cuidados com a pele demonstram interesse em usá-lo em protetores solares naturais. Outras indústrias enxergam possíveis utilizações que vão de tintas para casa que mudam de cor a sensores ambientais.

“À medida que olhamos para o futuro, a humanidade precisará repensar como fabricamos materiais para apoiar nosso estilo de vida sintético de 8 bilhões de pessoas na Terra,” disse Moore. “Graças ao financiamento federal, desbloqueamos um novo caminho promissor para projetar materiais inspirados na natureza que sejam melhores para as pessoas e para o planeta.”

Os autores do estudo adicionais incluem Tobias Alter, María Alván-Vargas, Daniel Volke, Òscar Puiggené e Pablo Nikel do Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability; Elina Olson do Shu Chien-Gene Lay Department of Bioengineering da UC San Diego; Lara Dürr e Mariah Avila do Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego; e Taehwan Kim e Leila Deravi da Universidade Northeastern.