Baixe Bioprospecção aplicada no serviço da biodiversidade e outras Notas de estudo em PDF para Biotecnologia, somente na Docsity! Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 29 Edição especial Maurício Antônio Lopes Eng. Agrônomo, Ph.D., Pesquisador da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia. mlopes@cenargen.embrapa.br Luciano Lourenço Nass Eng. Agrônomo, Ph.D., Pesquisador da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia. llnass@cenargen.embrapa.br Itamar Soares de Melo Eng. Agrônomo, Ph. D., Pesquisador da Embrapa Meio Ambiente. itamar@cnpma.embrapa.br Imagens cedidas pelos autores BIOPROSPECÇÃO 1. Introdução busca do desenvolvi- mento sustentável re- presenta um dos maio- res desafios para a hu- manidade e, em espe- cial, para o Brasil. Ao longo de séculos, o modelo de desenvolvi- mento no país tem evoluído do extrativismo e da agricultura de sub- sistência para uma exploração agroindustrial intensa, com a aplica- ção de tecnologias modernas e, em muitos casos, com ocupação e utili- zação desordenada dos recursos do ambiente, o que coloca em risco a nossa rica biodiversidade. Apesar de o desenvolvimento de um setor agroindustrial pujante e moderno, ainda ocorrem no país as queimadas, provocadas e espontâ- neas, que consomem grandes áreas de cobertura vegetal, além de ações antrópicas diversas que provocam degradação do solo e dos recursos hídricos, redução progressiva da ve- getação nativa de diversos biomas, em especial a Floresta Atlântica, o Semi-Árido, o Cerrado e a Amazônia, a maior floresta úmida do planeta, que abriga um percentual significati- vo da diversidade biológica conheci- da e porcentagem ainda maior das reservas de água doce do planeta. O Brasil reúne em seu território entre 15% e 20% de toda a biodiversidade mundial, o que lhe confere o título de país megadiverso. São 55 mil espécies vegetais, ou 22% do total mundial, 524 mamífe- ros (dos quais 131 endêmicos), 517 anfíbios (294 endêmicos), 1622 aves (191 endêmicas) e 468 répteis (172 endêmicos), 3 mil espécies de pei- xes de água doce (ou três vezes mais que qualquer outro país), provavel- mente entre 10 e 15 milhões de espécies de insetos (muitas famílias ainda não catalogadas), além de des- conhecida riqueza de microrganis- mos, abrangendo imensa diversida- de de espécies e de populações dentro de cada espécie, além de grande diversidade de interações entre espécies em cada ecossistema. Globalmente, aproximadamen- te 1,7 milhões de organismos têm sido identificados. Contudo, o co- nhecimento sobre a riqueza de es- pécies é incompleto, especialmente nos trópicos. Estimativas conserva- doras com relação ao número de espécies ainda não descritas nos tró- picos podem chegar a 30 – 50 mi- lhões de espécies. Daí a necessidade premente da conservação dos gran- des biomas da Terra, pois quase todas as espécies que outrora vive- ram sobre o nosso planeta estão hoje extintas. Para o Brasil, a Convenção sobre Diversidade Biológica (CDB), de 1992, foi um marco para novas abor- dagens políticas, econômicas e téc- nicas relacionadas ao acesso e utili- zação sustentável desta r ica biodiversidade. A Convenção tem motivado grande debate e mobilização pública, individual e co- letiva, em relação à diversidade bio- lógica, tornando-se tema de preocu- pação central no país na última déca- da. A Convenção determina que a diversidade biológica, além de preo- cupação comum da humanidade, é Meio ambiente Biotecnologia aplicada a prospecção e uso de serviços e funções da biodiversidade 30 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 patrimônio de cada país onde ocor- re, sendo seu uso sujeito a sua legis- lação, o que tem ensejado a discus- são e a definição de arcabouços le- gais e normativos para regulação do seu acesso, compartilhamento e uso em diversos países, incluindo o Bra- sil. A principal ênfase deste novo código de uso da biodiversidade é a conservação e o seu aproveitamen- to sustentável, através da regula- mentação do seu acesso, compreen- dendo modelos e formas de contra- tos, que reconheçam direitos de pro- priedade intelectual ou formas alter- nativas de proteção do conhecimen- to associado, incluindo aqueles rela- tivos aos conhecimentos tradicionais. A grande ênfase na discussão deste arcabouço legal para regulação do acesso e uso da biodiversidade no Brasil se situa geralmente na visão de que a Biodiversidade nacional é uma imensa riqueza inexplorada ou um grande potencial de oportunida- des econômicas para os setores far- macêutico, agroindustrial, biotecno- lógico, etc, o que é sem dúvida verdadeiro. No entanto, há que se conside- rar que, a despeito do potencial eco- nômico representado pela biodiversidade, o foco central da CDB foi a busca de formas de contraposição ao problema global causado pela Figura 1. Bancos de Caracteres e Funções viabilizam o acesso à variabilidade genética de espécies silvestres, variedades tradicionais e coleções ex-situ, visando à organização de acervos de recursos de interesse do melhoramento genético e da biotecnologia. Estes acervos são constituídos por populações, linhas endogâmicas e suas progênies, que expressem de diferentes maneiras caracteres ou funções biológicas de interesse (genótipos constrastantes, populações segregantes, linhas recombinantes etc.) sendo úteis para introgressão de variabilidade aos programas de seleção, bem como para produção de estoques apropriados para estudos detalhados (genético-fisiológico-moleculares) das bases biológicas desses caracteres ou funções. Segundo este modelo, pode-se criar repositórios de variabilidade útil aos programas de melhoramento genético, prospecção de genes e estudos das bases biológicas de processos importantes como tolerância/ resistência a estresses bióticos e abióticos ou programas de diversificação de uso e agregação de valor como desenvolvimento de novos alimentos, matérias-primas e biomateriais aplicáveis a diversos ramos dos setores agroalimentar e agroindustrial. Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 33 como balanço de gases atmosféri- cos, regulação do clima, regulação dos ciclos hidrológicos, controle de erosão, formação e qualidade do solo, detoxificação/eliminação de resídu- os, polinização, controle biológico, refúgio, produção de alimentos se- guros, desenvolvimento de novas fontes de biomateriais, suporte para culturas e valores, incluindo valores estéticos e espirituais, além de opor- tunidades para recreação, lazer e turismo, é um grande desafio a ser encarado e superado, em especial pelas organizações de ciência e tecnologia agropecuária. 4. Biotecnologia Aplicada à Prospecção e Uso de Serviços e Funções da Biodiversidade A revolução na base de conheci- mentos dos sistemas biológicos a partir da biotecnologia moderna vem gerando novas e fascinantes oportu- nidades de inovação nas áreas da saúde, agricultura, meio ambiente, além de grandes avanços na base de conhecimentos no âmbito das ciên- cias da vida (life sciences). Este é um movimento global, e o acervo de conhecimentos sobre organismos vivos vem estimulando o desenvol- vimento de novas vertentes de ino- vação como a genômica, a bioinformática, a engenharia meta- bólica etc., além de novas aplicações de processos e funções biológicas nos mais variados campos da ativida- de humana, com profundas implica- ções econômicas e sociais. Apesar de as atenções estarem muito centradas na produção e no uso de plantas geneticamente modi- ficadas na agricultura, as implicações e impactos das diversas vertentes de inovação que compõem a biotecnologia moderna vão muito além da transgenia. Com o seqüenciamento com- pleto de genomas de diversos orga- nismos, expandem-se as possibilida- des no campo da genômica compa- rativa, que faz uso das similaridades, muitas vezes significativa, existen- tes entre espécies. Conhecimentos gerados por estudos de espécies bastante distintas, como por exem- plo o camundongo, também contri- buem para a compreensão da orga- nização e do funcionamento do genoma humano, enquanto espéci- es mais relacionadas, como o arroz, sorgo, milho, trigo e outras gramíneas apresentam similaridades surpreen- dentes em organização genômica, seqüências e funções gênicas. As- sim, com os novos recursos e técni- cas baseadas em manipulação gênica e transgenia, um novo universo se abre para identificação de nova vari- abilidade que, ordenada, estudada e definida como útil, poderia ser transferida às espécies de interesse por meio de transformação genética. O acúmulo de informações de dados de seqüência de DNA e de mapeamento de genes no genoma de diferentes espécies vegetais evi- denciou a conservação de genes e da ordem de genes no genoma de diferentes organismos. Recentes avanços da genética molecular e da genômica vêm permitindo a identifi- cação em espécies com genoma menos complexo, principalmente naquelas que tiveram o genoma com- pletamente seqüenciado como o ar- roz e arabidopsis, genes ou regiões genômicas associadas ao controle de características econômicas. Por meio da genômica comparativa é possível identificar em espécies com genomas mais complexos (ex., milho e trigo) regiões ortólogas com função gênica similar, acelerando o conhecimento básico e facilitando o trabalho com outras espécies. Estes avanços têm estimulado o desenvolvimento de programas inovadores na interface Recursos Genéticos-Biodiversidade- Biotecnologia, onde residem possi- bilidades extraordinárias para se prospectar serviços & funções que possam ser integrados à agricultura, tornando-a mais competitiva, segura e sustentável. Além de aumentar as possibilidades de utilização dos aces- sos mantidos nos bancos de germoplasma, intensificando os es- forços de caracterização e desenvol- vimento de acervos de variabilidade para o melhoramento genético e programas de bioprospecção, a integração da genômica aos progra- mas de recursos genéticos e melhroramento permite acesso a um novo acervo de caracteres da biodiversidade, antes inacessível. Hoje, programas de pesquisa que integram estratégias tradicionais, como o melhoramento genético e a genômica comparativa buscam iden- tificar, manipular e validar a expres- são de diferentes genes de impor- tância econômica e ambiental, cul- minando no desenvolvimento de novos recursos genéticos com um valor agregado potencial muito mai- or do que os disponíveis. 5. Bancos de Caracteres para Prospecção e Uso de Serviços e Funções da Biodiversidade Conforme aumenta o interesse por diversificação e agregação de valor à agricultura, na forma de no- vos alimentos, fibras, aromas e biomateriais aplicáveis a diversos ramos industriais, além de caracteres e funções que agreguem segurança ambiental e sustentabilidade aos sis- temas produtivos, o interesse do melhoramento genético se voltará inevi tavelmente para a biodiversidade, buscando-se diversi- ficação de espécies, sistemas e pro- cessos. Adequadamente estudadas e conhecidas, muitas funções bioló- gicas importantes poderão gradual- mente ser incorporadas às espécies de interesse. Assim, caracteres às vezes pouco considerados no âmbi- to dos programas de melhoramento genético, como aqueles relaciona- dos à qualidade ambiental, deverão despertar cada vez mais interesse, em função da mobilização da socie- dade por um ambiente mais limpo, além do crescimento das barreiras não tarifárias, que imporão penalida- des aos nossos produtos e processos, caso não levem em conta critérios e práticas ambientalmente seguros. A busca de funções que tenham im- pacto positivo em processos como regulação da composição química da atmosfera, regulação do clima, ab- sorção e reciclagem de resíduos, su- primento de água, ciclo de nutrien- tes, polinização e controle biológico, dentre outros, se tornará mais inten- sa na medida em que cresçam os 34 Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 impactos das atividades do homem sobre o meio físico, com a conse- qüente redução na disponibilidade de recursos. Neste cenário, o melho- ramento genético combinado à biotecnologia poderá se tornar im- portante estratégia de descoberta e disponibilização de funções biológi- cas viabilizadoras de uma agricultura mais sustentável. Os programas de pré-melhora- mento podem se tornar, além de elo de ligação entre os recursos genéti- cos vegetais e o melhoramento ge- nético, uma importante estratégia de ligação destes com os programas biotecnológicos, em especial aque- les dedicados à genômica compara- tiva. Considerando que o principal objetivo dos programas de pré-me- lhoramento é buscar a identificação de genes e/ou características de in- teresse em germoplasma exótico ou em populações não melhoradas para incorporação em materiais elites, eles poderão se tornar importantes fon- tes de variabilidade para composi- ção de “Bancos de Caracteres e Funções” para os mais variados ob- jetivos (Figura 1). Na verdade, para funções biológicas com variabilidade genética insuficiente, composição de Bancos de Caracteres a partir dos materiais elite poderá ser inviável, havendo necessidade da busca de variabilidade em parentes silvestres, raças locais (landraces), ou mesmo em outras espécies do mesmo pool gênico e, em casos mais extremos, em espécies completamente distan- tes filogeneticamente. A existência de tais bancos abrirá oportunidades extraordinárias para se prospectar serviços & funções que possam ser integrados à agricultura, tornando-a mais competitiva, segura e sustentá- vel. Além do mais, os bancos de caracteres ampliariam a possibilida- de de se aumentar a utilização dos acessos mantidos nos bancos de germoplasma, intensificando os es- forços de caracterização e desenvol- vimento de acervos de variabilidade para o melhoramento genético e programas de bioprospecção (Figu- ra 1). O conceito de Bancos de Caracteres se baseia no fato de que estudos de mecanismos e funções biológicas são extremamente depen- dentes de técnicas de screening e seleção de genótipos úteis, de pre- ferência genótipos contrastantes que permitiriam a geração de popula- ções estruturadas para estudos deta- lhados dos caracteres em questão. Os melhoristas trabalham continua- mente com screening e seleção, muito embora não seja usual os pro- gramas identificarem e manterem genótipos constrastantes. Indivídu- os com desempenho inadequado para o caráter em questão são usual- mente descartados ao longo das vá- rias etapas do processo. No entanto, para organização de Bancos de Caracteres, há necessidade de se identificar padrões reconhecidamen- te contrastantes, na forma de popu- lações, l inhagens ou outros genótipos de interesse, que são es- senciais para desenvolvimento de conjuntos de progênies segregantes (recombinantes) F 2 , F 3 , F 4 , retrocruzamentos na direção dos dois genitores e, quando desejável, con- juntos de linhas recombinantes. A existência desses acervos de recombinantes poderá viabilizar pro- gressos consideráveis no estudo de caracteres complexos, utilizando os modernos recursos disponíveis para mapeamento e estudos funcionais. Linhas recombinantes são acer- vos especialmente desejáveis na composição de Bancos de Caracteres. Estas linhas endogâmicas são produ- zidas por meio de sucessivas autofecundações de indivíduos F 2 , oriundos de um cruzamento entre duas linhagens divergentes e com características bem definidas. Os in- divíduos (S 1 ) provenientes de cada autofecundação de indivíduos F 2 contêm cerca da metade dos genes em homozigose em relação à gera- ção anterior. Após certo número de gerações de autofecundação (single seed descent) , cada l inha recombinante terá teoricamente, aproximadamente 100% dos alelos dos genitores em homozigose e fixa- dos aleatoriamente. Quanto maior o número de progênies F 2 autofecundadas, maiores serão as combinações de genes dos genitores, permitindo análises detalhadas de múltiplas combinações de genes e QTLs (Quantitative Traits Loci) en- volvidos na definição de caracteres complexos. Em relação a outros ti- pos de progênies segregantes como F 2 , F 3 e retrocruzamentos, as linhas recombinantes apresentam como principal vantagem o fato de consti- tuírem uma população permanente, na qual o processo de segregação é completo ou quase completo, man- tendo indefinidamente sua compo- sição gênica para estudos detalhados do caráter em questão. Em adição, linhagens recombinantes podem ser avaliadas em condições diferentes de ambientes. Desde que um genótipo é representado por uma linhagem, ao invés de um indivíduo heterozigoto, avaliações mais preci- sas dos componentes genéticos de caracteres mais complexos poderão ser realizadas com vantagem nesses genótipos. Uma desvantagem das linhas recombinantes é o fato de que, sendo homozigotas, poderão limitar a avaliação do impacto da heterozigose e da heterose na ex- pressão de determinados caracteres. Também, a depender do modo de reprodução da espécie, pode ser difícil produzir tais linhas em quanti- dades suficientes. Muito embora o esforço tradici- onal em recursos genéticos vegetais seja direcionado à produção de insumos úteis ao melhoramento ge- nético, há possibilidades de se am- pliar a utilidade desses acervos, de forma a incluir de forma mais eficien- te outros potenciais usuários, como os programas de bioprospecção e descoberta de genes e funções bio- lógicas de interesse. Com o avanço nas tecnologias que permitem análi- ses genét icas detalhadas, fenotipagem eficiente via análises fisiológicas e bioquímicas, além de genotipagem de alta resolução via técnicas moleculares, amplia-se tre- mendamente a nossa capaciade de extrair mais valor dos recursos gené- ticos, aumentando a produtividade dos acervos dos Bancos Ativos de Germoplasma (BAGs) e das cole- ções de trabalho dos programas de melhoramento. Hoje existem mi- Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento n.34 - janeiro/junho 2005 35 lhares de genes de vários organis- mos seqüenciados cuja função bioló- gica precisa ser determinada. A dis- ponibilidade de recursos genéticos vegetais adequadamente caracteri- zados e organizados e a capacidade de determinação massiva da função de um grande número desses genes abre possibilidade para avanços sig- nificativos no campo da genômica comparativa e funcional. Uma tecnologia para caracterização dos níveis de expressão de grande nú- mero de genes que vem ganhando destaque é a tecnologia de microarrays ou microarranjos. A tecnologia de microarranjos de DNA é baseada em clones de DNAs que são roboticamente fixados em pla- cas de vidro e subseqüentemente hibridizados com sondas marcadas com diferentes tipos de fluorescência. Essa metodologia tem auxiliado a análise funcional de um grande nú- mero de genes em um curto espaço de tempo e poderá gerar grandes volumes de informações úteis acer- ca de caracteres complexos, especi- almente se Bancos de Caracteres e coleções de mutantes adequadamen- te organizados proverem os fenótipos e genótipos adequados para análises. 6. Conclusões Diferentemente dos grandes produtores de alimentos localizados em regiões de clima temperado, o Brasil apresenta a maior parte do seu território marcado por grande frag- mentação ambiental, com marcantes diferenças edafoclimáticas, estrutura fundiária complexa e padrões de utilização tecnológica, de infra-es- trutura e logística bastante díspares. Apesar disso o Brasil é líder mundial na produção agropecuária tropical, tanto com respeito à diversidade da produção quanto à produtividade e eficiência do sistema agroindustrial. O Brasil vem experimentando nos últimos anos contínuos aumentos de produtividade em praticamente to- das as culturas de importância estra- tégica, culminando com os avanços extraordinários observados nas últi- mas safras, quando a produção de grãos rapidamente superou a barrei- ra dos 100 milhões de toneladas. Na última década a produtividade das principais commodities mais que dobrou, o que tem evitado avanço desordenado sobre regiões sensíveis do ponto de vista ambiental; os avan- ços em melhoramento genético, manejo integrado de pragas, em manejo de solos, nutrientes e cultu- ras de acordo com a lógica conservacionista do plantio direto têm sido fatores importantes na viabilização de uma agricultura mais sustentável com redução na utiliza- ção de agroquímicos e de práticas que levem à degradação ou fragilização da nossa base de recur- sos naturais. Conforme aumenta o interesse por diversificação e agregação de valor à agricultura, na forma de no- vos alimentos, fibras, aromas e biomateriais aplicáveis a diversos ramos industriais, o interesse do melhoramento genético se voltará inevi tavelmente para a biodiversidade, buscando-se diversi- ficação de espécies, sistemas e pro- cessos. Adequadamente estudadas e conhecidas, muitas funções bioló- gicas importantes poderão gradual- mente ser incorporadas às espécies de interesse. Por outro lado, caracteres às vezes pouco conside- rados no âmbito dos programas de melhoramento genético, como aque- les relacionados a qualidade ambiental, deverão despertar cada vez mais interesse, em função da mobilização da sociedade por um ambiente mais limpo, além de bar- reiras não tarifárias, que imporão pe- nalidades aos nossos produtos, caso não sejam produzidos de acordo com critérios e práticas ambientalmente seguros. Assim, a busca de funções que tenham impacto positivo em processos como regulação da com- posição química da atmosfera, regulação do clima, absorção e reciclagem de resíduos, suprimento de água, ciclo de nutrientes, polinização e controle biológico, dentre outros se tornará mais intensa na medida em que cresçam os im- pactos das atividades do homem sobre o meio f ís ico, com a consequente redução na disponbilidade de recursos. Neste cenário, espera-se que a combina- ção de estratégias da biotecnologia moderna com as estratégias tradici- onais de inovação tecnológica para a agricultura, como o melhoramento genético, o controle biológico e ou- tras, se torne o caminho para desco- berta e incorporação de funções bi- ológicas viabilizadoras de uma agri- cultura mais sustentável. Literatura consultada Duvick, D.N. 1990. Genet ic enhancement and plant breeding. In: J. Janick; Simon, J.E. (Ed.) Advances in new crops. Timber Press, Portland, OR. P.90- 96. Lopes, M.A. 1999. Banco de Caracteres: Desenvolvimento de Recursos Genéticos Utilizáveis na Investigação de Mecanismos de Controle de Caracteres de Importância Econômica em Mi- lho. Embrapa Milho e Sorgo, 13 pp. (manuscrito não publicado). Lopes, M.A. 2002. Biodiveridade e Biotecnologia. In: Anais da Con- ferência Nacional de Ciência, Tecnologia & Inovação - Tema: Desafios Estratégicos, Simpósio 3: Biodivers idade e Biotecnologia. Revista Parcerias Estratégicas. Ministério da Ciên- cia e Tecnologia - MCT. Nass, L.L.; Paterniani, E. 2000. Pre- breeding: a link between genetic resources and maize breeding. Scientia Agricola, v.57, p.581- 587. Nass, L.L.; Valois, A.C.C.; Melo, I.S.; Valadares-Inglis, M.C. 2001. (Ed.) Recursos genéticos e melhora- mento – plantas. Rondonópolis, MT - Fundação MT. 1183p. World Resources Institute. 1992. World resources 1992-93: an assessment of the resource base that supports the global economy. New York: WRI.