Metagenômica aplicada à bioprocessos
Olá pessoal, no post de hoje daremos continuidade no tópico de metagenoma e aplicação da metagenômica à bioprocessos. Esta área que teve início ainda durante os primeiros projetos de sequenciamento, com a tecnologia do método de Sanger, e posteriormente foi adaptada para o sequenciamento de nova geração.
Bioprocessos podem ser definidos como uma das bases da biotecnologia, onde se realizam a produção de composto bioativos de interesse industrial em grande escala. Os bioprocessos são métodos cada vez mais comuns que consistem em aplicações industriais de reações ou vias biológicas, mediadas por células vivas inteiras de animais, plantas, microrganismos ou enzimas. Dessa forma, sobre condições controladas para biotransformação se produz matérias primas de produtos. Esses processos compreendem em diversas operações, como o tratamento da matéria prima e preparo dos meios de propagação e produção. Além disso, o bioprocesso também é utilizado para esterilização e transformação do substrato em produto.
Metagenômica aplicada a Bioprospecção
Os processos biotecnológicos possibilitam a produção de um grande número de metabólitos de interesse industrial, incluindo enzimas, produzidas comercialmente. Na maioria dos processos, os mesmos são feitos a partir de microrganismos, devido em grande parte à diversidade dos mesmos, facilidade, controle operacional e maior rendimento em relação aos processos extrativos de tecidos animais e vegetais. Um grupo de enzimas presentes nas mais diversas aplicações são as celulases, utilizadas como enzimas na bioconversão de materiais celulósicos. Os catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade de reações químicas sem que sejam consumidos durante a reação. As enzimas são catalisadores biológicos capazes de interagir com uma grande variedade de moléculas complexas e substratos. A sua aplicação no processamento de materiais biológicos apresenta muitas vantagens em relação à síntese química como condições de reação mais brandas com menos gasto de energia e sustentabilidade ambiental. Essas características levaram a um grande aumento na demanda industrial por novas enzimas para melhorar um processo já existente ou mesmo estabelecer novas formas de executar um processo.
Assim, para uma melhor eficácia nos métodos de produção de enzimas de uso industrial, se faz interessante acessar o recurso genético da vasta maioria das espécies microbianas. Uma abordagem a ser utilizada para este desafio é a aplicação da metagenômica. Essa abordagem permite ir além da estrutura de comunidade apontando riqueza de espécies e distribuição, possibilitando também determinar o potencial metabólico desses organismos. Esta estratégia abrange a extração direta do DNA genômico de amostras no ambiente.
Como citado em posts anteriores, a metagenômica é uma ferramenta muito utilizada na biotecnologia. Essa técnica oferece um caminho para acessar de forma mais completa a diversidade de microrganismos presentes do ambiente que se deseja extrair informações, permitindo executar estudos de genômica funcional dos componentes de sua microbiota, sem a necessidade do cultivo de microrganismos. O metagenoma elucida genomas de microrganismos não cultiváveis com o objetivo de melhorar a compreensão acerca da ecologia microbiana global. Direciona as pesquisas visando o aumento na descoberta de novas enzimas e biomoléculas, sendo assim de grande importância para bioprospecção.
Para a investigação do potencial da tecnologia metagenômica na recuperação de genes e produtos gênicos de interesse biotecnológico para bioprospecção, tem se utilizado a construção de bibliotecas metagenômicas a partir dos genes de interesse.
A análise de bibliotecas metagenômicas podem ser feita através de dois métodos clássicos usando o sequenciamento de Sanger: o método baseado na função e o método baseado na sequência. Com sequenciamento de nova geração a prospecção é feita in silico diretamente, com similaridade de sequência.
O método baseado na função identifica clones que expressam uma enzima ou uma via metabólica desejada. A identificação do fenótipo é realizada em meio de cultivo sólido contendo um substrato seletivo para a função de interesse. Clones que estejam expressando a enzima formam um halo de hidrólise em volta da colônia. Outro modo de realizar a prospecção funcional é através da adição de indicadores de pH no meio seletivo. Nesse caso, o produto de interesse é detectado através da mudança de pH em volta da colônia.
O método baseado na sequência faz uso de regiões conservadas do DNA para se desenhar sondas de hibridização ou oligonucleotídeos iniciadores para reações de PCR e, dessa forma, identificar clones que possuam os genes de interesse. Outra abordagem utilizada é o sequenciamento das extremidades dos insertos de DNA clonados ou mesmo o sequenciamento de todo o DNA metagenômico de uma determinada amostra. Por essa metodologia, a identificação é realizada por comparação das sequências obtidas com os bancos de dados internacionais.
Baseadas nessas técnicas descritas várias bibliotecas metagenômicas foram construídas a partir dos mais distintos tipos de amostras, como solo, água, biofilmes, rúmen bovino, boca humana, intestino de cupim, entre outros, tendo como principal objetivo o isolamento de novas enzimas de interesse industrial.
Na imagem a seguir é possivel visualizar um fluxograma mostrando as principais etapas para a construção de bibliotecas metagenômicas a partir de amostras de solo. A purificação do DNA pode ser realizada pelo método indireto, através da separação das células da matriz do solo, ou pelo método direto. O DNA purificado é fragmentado, ligado em um vetor linearizado e transformado em uma estirpe hospedeira originando a biblioteca. Por fim, diferentes estratégias de prospecção podem ser aplicadas para identificação de clones de interesse.
Se você tiver alguma sugestão de post, ou queira saber sobre mais aplicações da metagenômica por favor deixe sua indicação nos comentários :D
