Biotecnologia vegetal: benefícios e malefícios

Biotecnologia Vegetal

• A biotecnologia vegetal envolve o uso de tecnologias modernas em seres fotossintetizantes.
• O objetivo da aula é mostrar os principais processos associados à biotecnologia moderna e discutir os conceitos éticos e questões ambientais relacionadas.
• Após o estudo espera-se que o aluno seja capaz de descrever os processos, dar exemplos e discutir os conceitos éticos e ambientais relacionados à biotecnologia vegetal.
• Pré-requisitos: crescimento, desenvolvimento e totipotência, controle dos padrões morfogenéticos realizado pelos hormônios de plantas.

Introdução

• A biotecnologia vegetal será discutida visando a compreensão de seus benefícios e malefícios.
• Biotecnologia é definida como processo ou produto obtido pela manipulação de seres vivos, unindo "bio" (vida), "tecnos" (uso prático da ciência) e "logos" (conhecimento).
• Processos como a fabricação de queijo, pão, vinho e cerveja são exemplos de biotecnologia clássica, pois envolvem bactérias e leveduras.
• A biotecnologia moderna, por outro lado, relaciona-se à manipulação de organismos ou partes deles.
• A utilização de plantas pelo homem é muito antiga e marcou a construção das primeiras sociedades humanas.
• O cultivo de plantas foi essencial para o estabelecimento de populações fixas e o desenvolvimento da agricultura.
• A seleção artificial de plantas, embora não seja biotecnológica por definição, impulsionou o interesse científico na melhoria da produção.
• A seleção passou a ser substituída por técnicas de melhoramento genético a partir de Mendel.
• Em 1973, Stanley Cohen e Herbert Boyer criaram o primeiro organismo transgênico, a bactéria Escherichia coli resistente à penicilina.
• A descoberta da transgenia abriu novas perspectivas e desafiou o conceito de espécie, permitindo a transferência de genes entre diferentes seres vivos, incluindo vírus.

Técnicas de Cultura de Tecidos de Plantas e Suas Aplicações

• Inicialmente, a cultura de tecidos foi associada a estudos de nutrição mineral e desenvolvimento de plantas.
• O isolamento da planta em ambientes controlados (umidade, temperatura, luminosidade) e assépticos (livres de micro-organismos) tornou possível determinar os compostos essenciais para o desenvolvimento vegetal.
• O ambiente asséptico impede a contaminação por bactérias e fungos, garantindo que a planta não tenha que competir por recursos.
• Os filtros de ar HEPA removem partículas do ar com extrema eficiência, permitindo a criação de áreas livres de micro-organismos para a manipulação de plantas.
• A cultura de tecidos tornou possível a descoberta dos elementos minerais essenciais e os efeitos de hormônios e outras substâncias no desenvolvimento das plantas.
• O meio de cultura mais utilizado é o de Murashigue e Skoog, composto por sais minerais, vitaminas e hormônios para garantir a sobrevivência da planta no laboratório.
• A composição do meio de cultura é ajustada de acordo com o objetivo morfogênico desejado, como a indução de raízes (auxinas) ou parte aérea (citocininas).
• A cultura controlada representou um avanço nos estudos e na cultura de tecidos de plantas, permitindo a indução de alterações morfogênicas e a regeneração de plantas inteiras a partir de pequenos fragmentos.
• A morfogênese é regulada por hormônios, e as plantas retêm tecidos embrionários (meristemas) capazes de mudar o padrão de diferenciação celular.
• A regeneração de organismos inteiros in vitro é mais comum em plantas devido à totipotência de suas células.
• A preferência para iniciar uma cultura in vitro recai sobre tecidos mais jovens e meristemáticos, como meristema apical, gemas, sementes e grãos de pólen, mas também folhas, pecíolos, caules e raízes podem ser utilizados.
• A cultura do grão de pólen (haplóide) é uma estratégia para programas de melhoramento genético também sendo possível induzir o retorno ao nível de ploidia normal, gerando culturas de haplóides.

Multiplicação de Plantas Pelo Cultivo de Segmentos Nodais e Micropropagação

• A região de saída do pecíolo da folha (nó) apresenta uma gema axilar, que pode se desenvolver em uma nova planta em um sistema de cultivo in vitro adequado.
• Após o crescimento, os segmentos nodais contendo uma gema são removidos assepticamente e transferidos para novos frascos de cultura, multiplicando geometricamente o número de plantas.
• Este procedimento garante a produção de plantas geneticamente idênticas, ou clones.
• Os nutrientes e hormônios são fornecidos por meio de cultura em concentrações preestabelecidas.
• O material é desinfetado antes de entrar no frasco com agentes como álcool e água sanitária.
• O ambiente é asséptico, a temperatura é controlada e a iluminação é artificial, geralmente com lâmpadas fluorescentes.
• A concentração de açúcar no meio de cultura é alta (30 g.L-1 de sacarose) e a umidade relativa dentro do frasco também é alta.
• Essas condições favorecem o crescimento, mas limitam as taxas de fotossíntese e resultam em estômatos pouco funcionais e tecidos tenros.
• As plantas in vitro necessitam de um período de adaptação (aclimatação) antes de serem transferidas para as condições externas (ex vitro).
• As plantas in vitro são melhores em luminosidade, menor disponibilidade de água e nutrientes, e são transferidas para o campo ou ambiente natural.
• A micropropagação é um conhecido processo para estabelecer uma propagação em massa de clones (1975, por Hartman e Kester).
• A micropropagação abrange os processos de propagação vegetativa que ocorrem durante a cultura de tecidos de plantas, sendo as plantas em campo maiores que as em cultura.
• Diversas aplicabilidades destes procedimentos: grande número de plantas multiplicado, efeitos de substâncias testados e padrões de crescimento estudados e controlados.
• A técnica é aplicada em diversos tipos de plantas de interesse comercial, auxiliando no melhoramento genético e na manutenção de plantas geneticamente modificadas.
• Esta técnica também possibilita a multiplicação de plantas ameaçadas ou sob risco de extinção, diretamente relacionada à capacidade de multiplicação das plantas in vitro.
• Sistemas agrícolas tradicionais usam sistemas de produção extensiva com baixíssima diversidade genética.
• Alternativa: utilizar mais de um clone em programas de recuperação de plantas sob risco de extinção.
• Em bancos de germoplasma, as culturas de plantas in vitro podem ter as taxas de crescimento mínimas para garantir a manutenção de estoques das plantas.
• Os bancos de germoplasma são coleções genéticas das espécies, principalmente das selvagens, com estruturas de propagação normal das plantas.

Cultura de Meristemas Apicais e Limpeza Clonal

• Quando os meristemas apicais de parte aérea para o estabelecimento da micropropagação são utilizados em vez dos segmentos nodais, pode incluir a limpeza clonal (remoção das bactérias e dos vírus que circulam dentro da planta).
• Bactérias coexistem em relações simbióticas com a planta, ao contrário dos vírus.
• Endossimbiontes: nova área da biotecnologia vegetal; parasitas celulares: vírus.
• A infeção viral raramente resulta na morte total vegetal > quando infectadas, o seu crescimento diminui e têm áreas de lesão ou anormalidades nas folhas.
• O meristema é uma estrutura embrionária que tem os tecidos diferenciados, como epiderme, parênquima, xilema e floema completamente por baixo.
• O meristema está protegido dos vírus (não possuem capacidade de locomoção própria).
• Células meristemáticas: em constante divisão, não possuem ligações entre os seus protoplasmas.

Embriogênese Somática

• Processo de formação de embriões sem fusão de células sexuais, a partir de células não sexuais (soma).
• A embriogênese somática é um evento marcante da totipotência das células vegetais.
• Embriões obtidos: multiplicados na micropropagação.
• Embriões: utilizados no processo transgenia ou encapsulados, formando as sementes sintéticas.

Protoplastos e a Hibridização Somática

• Protoplasto: parede da célula vegetal removida, conteúdo protoplasmático > Klercker (1892).
• Protoplastos: células arrebentavam devido às condições osmóticas.
• Fungos saprófitas: capaz de digerir as paredes celulares e iniciarem a sua busca.
• Cocking, E.C. (1960): conseguiu obter protoplastos através de digestão enzimática.
• A partir de um protoplasto, Takebe, I. et al. (1971) conseguiu regenerar uma planta de tabaco inteira.
• Protoplastos são também utilizados:
  • Estudos da absorção de iões,
  • Estudos estruturais e ultraestruturais,
  • No isolamento das organelas (como núcleo e vacúolos).
  • Transformação genética,
  • Hibridização somática.
• A hibridização somática é diferente do melhoramento genético clássico e da transgenia, pois não envolve cruzamentos controlados nem introdução de novos genes, mas sim a fusão de células somáticas de dois indivíduos da mesma espécie.

Cultura de Calos e a Desdiferenciação Celular

• A cultura de calos e desdiferenciação celular se manifesta em massa amorfas sem definição estrutural ou celular, obtido pecíolo da folha de batata-doce (auxina e citocinina)
• A cultura de células promove a desdiferenciação celular, em que já não é possível identificar as estruturas, processo esse auxiliado por um número pequeno de células especializadas.
• Massas de células possuem um crescimento bastante intenso e desorganizado.
• Suspensões de células ocorrem quando há a dissociação destas e a formação de um meio de cultura líquido.
• A finalidade da indução da desdiferenciação celular na formação do calo promove um novo organismo celular.
• Pode também gerar produtos do metabolismo do vegetal que possuam relevância (mais fácil e vantajoso).
• Expansível para dimensões industriais (biorreatores).
• Em ambos os sistemas, as culturas são mantidas em crescimento controlado.

Transgenia em Plantas: Aplicações e Implicações Legais e Ambientais

• A Biologia Molecular tornou possível retirar um gene de uma espécie e introduzi-lo em outra, o que é estabelecido no Brasil pela Lei nº 8.974.
• A lei define normas de segurança, fiscalização, e o conceito de organismo geneticamente modificado (OGM), ou organismos com material genético (ADN/ARN) modificado.
• Não são considerados OGM aqueles em que ocorre introdução direta de material hereditário sem manipulação de moléculas de ADN/ARN recombinante ou OGM.
• A lei não se aplica à modificação genética obtida por mutagénese, etc.
• Laboratórios de OGM: devidamente registrados e a criação de uma comissão interna de biossegurança é obrigatória.
• Projeto de Lei de Biossegurança: estabelece as normas e procedimentos.
• Desde 2001: Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio)/Ministério da Ciência e Tecnologia, emitir um parecer sobre a segurança dos OGMs e seus derivados.
• Também em 2001: Certificado de Qualidade em Biossegurança.
• Também em 2001: CTNBio cadastrar as instituições e os profissionais que trabalham com OGMs e a publicação no Diário Oficial da União.
• A bactéria Escherichia coli é transformada com o gene da insulina humana, sendo assim criado o primeiro transgênico de grande importância comercial (atualmente o principal processo de fabricação da insulina).
• A produção de proteínas recombinantes em plantas incluem:
• Hormônio do crescimento humano (soja, girassol e tabaco),
• Alfa-interferon (arroz),
• Albumina humana (tabaco e batata),
• Colágeno (tabaco),
• Vários tipos de anticorpos recombinantes (soja e tabaco),
• Vacinas (tomate, banana e alface, tomate e batata e alface e tomate).
• As primeiras gerações de transgênicos: caracterização agronómicas e produção em larga escala de vacinas.
• Vantagens destes processos: a produção de proteínas é alta e o custo baixo.
• As plantas transformadas são fábricas biológicas/biorreatoras.
• Em 1973 foi atribuída capacidade ao plasmídeo Ti da bactéria Agrobacterium tumefaciens de se introduzir no genoma da planta (é uma agente natural de transformação genética).

Linha do Tempo da Transgenia

• 1983: Primeira planta de tabaco transgénica.
• 1985: Primeira planta transgénica resistente a insetos.
• 1987: Primeira planta transgénica tolerante a um herbicida.
• 1988: Primeiro cereal transgénico.
• 1990: Primeiro caso de comercialização de uma planta transgénica, na China.
• 1994: Primeiro legume transgénico comercializado - Tomate Flavr savr.
• 1997: Primeiro tabaco capaz de produzir hemoglobina.
• 1999: Aproximadamente 40 milhões de hectares de plantas transgénicas cultivadas.
• 2000: Sequenciamento do genoma de Arabidopsis thaliana.
• 2002: 58,740 milhões de hectares de plantas transgénicas cultivadas.
• Os métodos de transformação divididos em indiretos e diretos para construir organismos geneticamente modificados.
• Métodos indiretos: função como vetores da transformação (o gene recombinante e garantem a sua integração ao genoma da planta.
• Métodos diretos: gene recombinante é inserido na célula sem a participação de bactérias ou vírus.
• As limitações: desenvolvimento de um método de transformação direta, para células e tecidos intactos.
• O equipamento funciona como um canhão (bombardeamento de partículas de tungstênio ou de ouro carregadas com o DNA recombinante).

OGMs e Meio Ambiente

• Existe um conjunto de normas e procedimentos que devem ser seguidos (estão sendo agrupados no Projeto de Lei de Biossegurança).
• Resolução nº 305 do Conama - Conselho Nacional de Meio Ambiente.
• Licenciamento ambiental para área confinada.
• Licenciamento ambiental para pesquisa de campo.
• Licenciamento ambiental para liberação comercial.
• Licenciamento ambiental em áreas com restrição.
• O principal objetivo das licenças é controlar a liberação de transgénicos (o organismo não seja capaz de induzir qualquer alteração ambiental).
• Questões relativas ao organismo doador/planta receptora/proteína expressa no OGM/qualidade nutricional/alergenicidade.
• Liberação de OGMs: associada ao Princípio da Eqüivalência Substancial (recebido muitas críticas).

OGMs: Ética e Bioética

• Discussão sobre as questões éticas, substituída pela preocupação com os efeitos ambientais.
• A ética diz respeito às pesquisas com seres humanos.
• Em 1971, Potter, A.R. (1971) apresentou a primeira versão do termo bioética (o compromisso global com o equilíbrio e a preservação dos ecossistemas na relação com seres humanos).
• Em 1979, Tom Beauchamp e James Childress propõem uma linha principalista (desenvolvimento científico deve ocorrer segundo os princípios da não-maleficência, justiça, beneficência e autonomia).
• A União Européia realizou uma extensa análise ( 1985 e 2000) e afirmou em um documento final que não há qualquer risco além dos já percebidos nas plantas convencionais.
• A FDA divulgou um estudo que compara a capacidade de produção com a geneticamente modificada/tradicional.
• No caso do Brasil atinge os patamares com melhoramento genético tradicional dado.
• Tipos de danos ambientais potenciais:
• Transferência do transgene;
• Alteração do fenótipo da planta;
• Reações adversas na alimentação de animais;
• Recombinação ilegítima/fragmentação do DNA;
• Reação imunogênica ou reação alergênica em humanos/vírus de plantas.
• Efeitos:
  • Deslocamento ou eliminação/exposição de espécies;
  • Criação de plantas daninhas;
  • Erosão da diversidade genética;
  • Alteração ou interrupção da ciclagem de nutrientes e energia.
• A discussão seja desenvolvida, de acordo com uma postura acadêmica e independente de conceitos ideológicos, quaisquer que sejam.