Extremófilos em biotecnologia - Extremophiles in biotechnology

Thermus aquaticus . Bactéria termofílica encontrada em lagos térmicos dos quais a Taq Polymerase foi isolada.

Extremófilos em biotecnologia é a aplicação de organismos que prosperam em ambientes extremos à biotecnologia .

Extremófilos são organismos que prosperam nos ambientes mais voláteis do planeta e é devido a seus talentos que começaram a desempenhar um grande papel na biotecnologia. Esses organismos vivem em todos os lugares, desde ambientes de alta acidez ou salinidade até áreas com pouco ou nenhum oxigênio, locais que eles chamam de lar. Os cientistas mostram grande interesse em organismos com talentos raros ou estranhos e, nos últimos 20-30 anos, os extremófilos estiveram na vanguarda, com milhares de pesquisadores investigando suas habilidades. A área em que mais se fala, se pesquisa e se desenvolve em relação a esses organismos é a biotecnologia. Cientistas de todo o mundo estão extraindo DNA para modificar genomas ou usando extremófilos diretamente para concluir tarefas. Graças à descoberta e ao interesse por esses organismos foram encontradas as enzimas utilizadas na PCR, possibilitando a rápida replicação do DNA em laboratório. Desde que ganharam destaque, os pesquisadores vêm acumulando bancos de dados de dados do genoma na esperança de que novas características e habilidades possam ser usadas para promover avanços biotécnicos. Tudo, desde a biodegradação de resíduos à produção de novos combustíveis, está no horizonte com os desenvolvimentos feitos no campo da biotecnologia. Existem muitos tipos diferentes de extremófilos, com cada tipo favorecendo um ambiente diferente. Esses organismos se tornaram cada vez mais importantes para a biotecnologia à medida que seus genomas foram descobertos, revelando uma infinidade de potencial genético. Atualmente, os principais usos dos extremófilos estão em processos como PCR, geração de biocombustíveis e biominação, mas existem muitas outras operações de menor escala em jogo. Também existem laboratórios que identificaram o que desejam fazer com os extremófilos, mas não foram capazes de atingir totalmente seus objetivos. Embora essas metas em grande escala ainda não tenham sido alcançadas, a comunidade científica está trabalhando para concluí-las na esperança de criar novas tecnologias e processos.

Visão geral dos extremófilos

Lago térmico no qual os extremófilos termofílicos prosperam.

Extremófilo é o termo que abrange um grande grupo de organismos, principalmente arqueanos , que evoluíram para preencher nichos de ambientes extremamente inóspitos. Esses ambientes incluem temperaturas altas ou baixas, altos níveis de salinidade, níveis altos ou baixos de pH e áreas onde os produtos químicos voláteis são proeminentes. Esses organismos fizeram de alguns dos locais mais indesejáveis ​​do planeta seu lar. Alguns exemplos desses locais incluem respiradouros térmicos no fundo do oceano, lagos de soda, escoamentos de fábricas de produtos químicos e pilhas de lixo em aterros sanitários.

Existem 4 tipos principais de extremófilos:

Termófilos

Os extremófilos termofílicos vivem em áreas de calor extremo, sendo o melhor exemplo as fontes geotérmicas no fundo do oceano. O benefício desses organismos reside nos polímeros e enzimas produzidos dentro deles, pois são altamente termoestáveis.

Halofilia

Os extremófilos halofílicos vivem em áreas de alta salinidade, como salinas solares e lagos de soda. Sua capacidade de consumir e prosperar em áreas de tal salinidade abre possíveis benefícios, como inocular plantações em solos ricos em sal para ajudá-los a crescer. Outro uso encontrado para eles está na produção de polímeros para a fabricação de plásticos biodegradáveis.

Metanógenos

Os extremófilos metanogênicos vivem em qualquer lugar e são os mais comuns. Esses organismos pegam vários compostos orgânicos simples e os usam para sintetizar o metano como sua fonte de energia. Não existem outros organismos conhecidos que usam a síntese de metano como forma de produção de energia.

Psicrófilos

Extremófilos psicrofílicos têm a capacidade de manter altas taxas de crescimento e atividade enzimática em temperaturas tão baixas quanto 0 ℃. Isso apresenta a possibilidade de utilizar enzimas encontradas nesses organismos em paralelo ao modo como as enzimas termofílicas são usadas, mas em baixas temperaturas, em oposição a altas temperaturas.

Ter a capacidade de viver em um ambiente tão hostil vem dos traços e habilidades do organismo que estão codificados em seus genomas. Mudanças herdadas ao longo do tempo via DNA permitiram que esses organismos criassem várias resistências e imunidades à natureza volátil de suas casas. São essas características que têm os cientistas tão fixados nos extremófilos, porque os genes que permitem essas habilidades podem ser retirados dos extremófilos e usados ​​em vários processos biotécnicos. Um bom exemplo disso seria como a Taq Polymerase foi isolada da bactéria Thermus aquaticus e usada para tornar possível o processo de PCR. Em alguns casos, até mesmo o organismo inteiro pode ser utilizado devido ao modo como funciona na natureza. Um bom exemplo disso seria o uso de extremófilos metanogênicos para auxiliar na decomposição de resíduos. Embora apenas quatro tipos principais de extremófilos estejam listados acima, existem muitos outros tipos que não são mencionados neste artigo.

Importância

Cientistas em um laboratório de biotecnologia que sintetizam DNA.

Muitos processos biológicos e químicos realizados em laboratórios levam muito tempo, são extremamente delicados e tendem a ser caros. Isso se deve ao fato de que enzimas biológicas gerais, proteínas e outros vários compostos orgânicos têm requisitos muito específicos para que funcionem adequadamente. Estas são geralmente condições moderadas e, portanto, são conhecidas como mesofílicas. Os catalisadores que envolvem mudanças na temperatura, salinidade ou acidez podem impactar os compostos orgânicos mesofílicos e produtos dentro de um determinado processo que, por sua vez, afeta negativamente o resultado. Para lidar com isso, os cientistas no passado tiveram que usar caminhos experimentais mais longos para atender às condições moderadas. Isso, conforme afirmado anteriormente, estende o tempo necessário para realizar experimentos e processos, bem como aumenta os custos.

Para superar esse problema, os cientistas recorreram aos extremófilos devido às suas habilidades naturais para lidar com condições extremas. Essas habilidades estão ligadas a genes que podem ser isolados, extraídos e replicados em laboratório. Com isso, a informação genética pode então ser implantada em determinadas enzimas, polímeros, proteases e outros vários compostos orgânicos para dar-lhes a resistência desejada. Isso permite que os processos biológicos e químicos sejam concluídos rapidamente, pois as estratégias cuidadosas e demoradas podem ser contornadas. Os extremófilos, tanto eles próprios quanto seu DNA, estão ajudando os cientistas a otimizar técnicas e processos de pesquisa extensos.

Formulários

PCR

A reação em cadeia da polimerase (PCR) foi desenvolvida na década de 1980 por Kary Mullis . Mais tarde, Mullis receberia o Prêmio Nobel por sua criação desse processo em 1993. O PCR usa uma das enzimas resistentes ao calor encontradas no termófilo T. aquaticus para fazer cópias com rapidez e eficiência de fitas específicas de DNA. A pequena amostra do DNA alvo é adicionada a um tubo de ensaio junto com primers de DNA, nucleotídeos de DNA, polimerase Taq e uma solução tampão. Assim que essas cinco partes principais forem combinadas, elas podem ser colocadas em um termociclador de PCR. Neste dispositivo, a mistura é exposta a uma série de temperaturas repetidamente oscilando entre 94-95 ° C, 50-56 ° C e 72 ° C. Esses três estágios são conhecidos como estágios de desnaturação, recozimento e extensão. Durante o estágio de desnaturação a 94-95 ° C, as cadeias de DNA se separam, permitindo que novas ligações sejam feitas. Em seguida, durante a fase de recozimento de 50-56 ° C, os primers se ligam às fitas simples de DNA para prepará-las para a replicação. Finalmente, no estágio de extensão a 72 ° C, as fitas de DNA se replicam como fariam naturalmente à medida que os nucleotídeos de DNA são adicionados, reformando a hélice de fita dupla. Esses estágios são repetidos várias vezes até que a quantidade desejada de DNA seja obtida. Sem a enzima produzida por T. aquaticus , a Taq polimerase, esse processo não seria possível, pois os componentes normalmente desnaturariam em altas temperaturas.

Produção de biocombustível

Os combustíveis desempenham um papel importante na vida cotidiana em tudo, desde dirigir um carro e aquecer casas até processos industriais em grande escala e maquinário pesado. Como gases e combustíveis naturais estão sendo usados, os cientistas têm focado seus olhos em possíveis substitutos para esses combustíveis. Uma maneira de fazer isso é através da utilização de várias cepas metanogênicas e termofílicas de bactérias. Esses extremófilos em grandes quantidades são capazes de absorver várias substâncias como açúcares, celulose e vários produtos residuais para produzir metano, butanol e biodiesel. Enquanto o butanol em altas porcentagens normalmente inibiria o crescimento e a função de organismos biológicos, algumas cepas de bactérias, principalmente termófilos, foram projetadas para lidar com butanol mesmo em altas concentrações. Um dos desenvolvimentos mais recentes nesta área é a descoberta de cepas de algas extremófilas que podem ser usadas para produzir biodiesel. Cyanidium caldarium é conhecida como uma das cepas mais promissoras devido ao alto teor de lipídios dos produtos de biodiesel que cria. Embora esta aplicação ainda não tenha sido amplamente desenvolvida para utilização em larga escala, os cientistas que trabalham neste campo esperam encontrar uma solução eficiente e sustentável envolvendo extremófilos em breve.

Biomineração

Através do trabalho com vários extremófilos, a técnica de biominação foi desenvolvida. Também conhecido como biolixiviação, o processo envolve o uso de acidófilos na remoção de sulfetos e óxidos insolúveis de vários metais à medida que são extraídos da terra. O processo normal de lixiviação em pilha envolve a mistura de metais extraídos com produtos químicos altamente voláteis, como o cianeto. O processo de biolixiviação é apontado como uma abordagem mais segura para o processo de mineração. Junto com isso também é muito melhor para o meio ambiente. Com a lixiviação em pilha, surge a possibilidade de escoamento e derramamentos que envenenariam o meio ambiente ao se infiltrar no solo. Com a biominação, essa preocupação é reduzida, pois as condições podem ser facilmente mantidas usando cepas de bactérias termofílicas e acidofílicas. Esse processo não apenas foi considerado mais seguro e ecologicamente correto, mas também é capaz de extrair mais metal. A lixiviação em pilha tem uma taxa de extração de cerca de 60%, enquanto a biolixiviação tem taxas de até 90%. Até agora, ouro, prata, cobre, zinco, níquel e urânio foram extraídos com sucesso usando esse processo.

Esses três exemplos listados acima são algumas das principais aplicações dos extremófilos em biotecnologia, mas não são os únicos. Outras várias aplicações que não serão totalmente descritas aqui incluem: produção de carotenóides, produção de protease / lipase, produção de glicosil hidrolase e produção de açúcar. Essas aplicações secundárias se concentram na produção de compostos biológicos que podem ser usados ​​em aplicações primárias, como as listadas acima.

Desenvolvimentos futuros

Graças ao crescente interesse pelos extremófilos, a técnica revolucionária de PCR foi pioneira e trouxe o campo do estudo do DNA para o próximo nível. Seguindo essa tendência, os cientistas da biotecnologia e da indústria querem ir mais longe e encontrar novas maneiras de impactar a comunidade científica. Uma forma que está sendo estudada atualmente é a produção de plásticos por extremófilos halofílicos para que os plásticos modernos à base de óleo possam se tornar uma coisa do passado. Isso traria o plástico biodegradável para o mercado mundial, que no longo prazo é proposto como uma forma de ajudar no combate ao problema mundial do lixo. Outro avanço que os cientistas esperam fazer usando esses organismos é aumentar a degradação dos aterros sanitários em todo o mundo usando espécies metanogênicas que prosperam com os compostos orgânicos encontrados lá. Isso não apenas reduziria o desperdício, mas espera-se que o metano produzido seja coletado e usado como fonte de energia. Um outro desenvolvimento futuro interessante está no campo da medicina. Alguns laboratórios de biotecnologia estão estudando o uso de extremófilos projetados para produzir porções de vírus em sua superfície para induzir respostas do sistema imunológico. Isso ajudaria a treinar a memória imunológica e a resposta de anticorpos para defender o corpo caso o vírus ataque algum dia. Embora este seja apenas um punhado de exemplos, há muitos outros avanços e desenvolvimentos sendo trabalhados usando extremófilos na esperança de criar um futuro melhor.

Referências

Leitura adicional