Notícia

Biossensores para determinar o pH celular

Divulgação, UFSCar

Fonte

UFSCar

Data

terça-feira, 21 junho 2016 17:40

Áreas

Biotecnologia. Biofísica. Bioquímica.

Há mais de 30 anos, o Prof. Dr. Vadim Viviani, do Departamento de Física, Química e Matemática (DFQM) no Centro de Ciências e Tecnologias para a Sustentabilidade (CCTS) do Campus Sorocaba da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) se dedica às pesquisas com organismos bioluminescentes. Alimentando interesse que surgiu ainda na adolescência, atualmente o professor Vadim coordena na Universidade o Laboratório de Sistemas Bioluminescentes cujo foco dos estudos é a estrutura e função das enzimas luciferases e a origem bioquímica da bioluminescência.

A bioluminescência é a emissão de luz fria e visível por organismos vivos, como bactérias, algas, fungos, medusas, anelídeos, moluscos, insetos e até alguns peixes; é gerada por reações químicas altamente exotérmicas, catalisadas enzimaticamente, nas quais a energia das ligações químicas de compostos orgânicos é convertida preferencialmente em luz visível.  Nestas reações, moléculas genericamente denominadas de luciferinas são oxidadas por oxigênio, produzindo moléculas eletronicamente excitadas que decaem emitindo luz. Estas reações são catalisadas por enzimas chamadas de luciferases.

Mas, como os sistemas bioluminescentes se originaram? De acordo com o professor, os organismos vivos têm algumas poucas moléculas quimioluminescentes que, na presença de oxigênio, se oxidam produzindo luz; eles também têm enzimas que catalisam reações como processos de oxidação. “O encontro fortuito destas enzimas com reagentes quimioluminescentes e oxigênio originou os primeiros sistemas protobioluminescentes. Como a luminescência pode ter conferido uma vantagem seletiva ao organismo, ela acabou evoluindo para funções biológicas de comunicação, atração sexual – comum em vagalumes -, defesa, condução de presas, iluminação, entre outras”, afirma o pesquisador.  No entanto, é importante que se diga, a bioluminescência corresponde a um processo bioquímico e anatomicamente muito diversificado. As substâncias e enzimas responsáveis pela emissão de luz têm composição química diferente dependendo do organismo e o tipo de estrutura anatômica que gera luz – lanternas ou fotóforos – também são muito diversos. “Isto levou à conclusão que a bioluminescência se originou independentemente pelo menos 30 vezes durante a evolução das espécies”, revela o professor Vadim Viviani.

Neste campo de estudos, o Laboratório de Sistemas Bioluminescentes do Campus Sorocaba da UFSCar atua, principalmente, em três diferentes frentes de trabalho: estudo da estrutura e função das luciferases de insetos, em especial como a estrutura destas enzimas determina a atividade bioluminescente e os espectros de emissão; investigação da origem e evolução molecular e celular de sistemas bioluminescentes; e pesquisa das aplicações biotecnológicas da bioluminescência. “Nesta terceira frente, baseado nas luciferases já clonadas em nosso laboratório e em suas formas criadas por engenharia genética, estamos desenvolvendo biossensores para marcação celular, análises de toxicidade ambiental e bioprospecção”, conta o coordenador.

Pioneiro no estudo de luciferases de insetos em todo o mundo, o grupo de pesquisa da UFSCar já clonou uma série de enzimas de besouros brasileiros com propriedades únicas, como as luciferases emissoras de luz verde-azulada do vagalume Pyrearinus termitilluminans; a luciferase emissora de luz vermelha da larva-trenzinho Phrixothrix; e a luciferase com bioluminescência bimodal do vagalume Macrolampis. “Estas luciferases têm servido como modelos de estudo, resultando em importantes descobertas científicas sobre como a estrutura destas enzimas determina as cores de bioluminescência. Além do interesse científico, estas informações permitiram desenvolver novas luciferases com propriedades modificadas para finalidades bioanalíticas. Atualmente, algumas de nossas luciferases são aplicadas como marcadores bioluminescentes da expressão gênica em células de mamíferos, em estudos de ritmos circadianos em células neuronais e em biossensores bacterianos para bioprospecção de agentes microbicidas e toxicidade”, conta o pesquisador.

“Além disso, uma das principais descobertas feitas por nosso grupo, nos últimos anos, foi compreender como as enzimas luciferases de vagalumes se originaram a partir de outras enzimas presentes em todos os organismos – desde bactérias até seres humanos – com funções biológicas totalmente diferentes. Descobrimos como a estrutura molecular se modificou para ganhar a nova propriedade de catalisar a emissão da luz”, destaca o pesquisador. Em termos de resultados práticos, o grupo desenvolveu os primeiros biossensores intracelulares que usam a mudança da cor da luz para determinar o pH (acidez) das células. “O pH é um indicador de estresse celular, então a mudança de cor de luz do verde para o vermelho, indica que está ocorrendo estresse no interior das células”, explica o professor.

Também no que se refere às aplicações biotecnológicas da bioluminescência, de acordo com o professor da UFSCar, o uso de genes que codificam proteínas luminescentes – como luciferases – para marcar células cancerígenas e patogênicas está auxiliando a compreender processos patológicos e a desenvolver novos agentes terapêuticos pela indústria farmacêutica. “O controle de expressão gênica de todos os tipos de organismos pode ser estudado usando os genes de luciferases como marcadores, assim podemos auxiliar no processo de elucidação dos mecanismos biológicos e das doenças”, afirma o professor Vadim Viviani.

Destaque internacional

As pesquisas com organismos bioluminescentes desenvolvidas no Campus Sorocaba da UFSCar têm recebido destaque internacional pelo pioneirismo e contribuições para o avanço da fronteira do conhecimento nessa área de estudos. No primeiro semestre de 2016, equipe de jornalistas e documentaristas da BBC de Londres esteve no Campus Sorocaba para conversar com o pesquisador e filmar a rara larva-trenzinhoPhrixothrix, que tem luz verde no corpo e vermelha na cabeça – sendo único organismo que possui luz vermelha na superfície terrestre.

Já no começo de junho, o professor Vadim Viviani foi eleito o novo presidente da International Society for Bioluminescence and Chemiluminescence (ISBC). A ISBC tem 27 anos de atuação em pesquisas com sistemas bioluminescentes e já contribuiu com a divulgação de importantes descobertas científicas e avanços na área de biotecnologia, como as aplicações da GFP (Green Fluorescent Protein) na biomedicina que, inclusive, mereceu o Prêmio Nobel de Química em 2008.  A eleição de Vadim, que integra a Sociedade desde 1996, aconteceu durante o último Simpósio de Bioluminescência realizado em Tsukuba, no Japão. À frente da entidade, o professor Vadim Viviani pretende atrair novos jovens cientistas e divulgar a importância da bioluminescência e quimioluminescência tanto para ciência básica e aplicada, quanto para a indústria e o meio ambiente.

Conheça mais sobre os estudos em bioluminescência no site do Laboratório de Sistemas Bioluminescentes.

Fonte: UFSCar. Imagem: Divulgação, UFSCar.

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