Uma equipa liderada pela UC San Diego descobre um novo método para produzir grandes quantidades de pigmento com capacidade de mudança de cor, inspirado na natureza, em laboratório.
Cientistas da UC San Diego deram mais um passo para desvendar um superpoder que pertence a alguns dos maiores “mestres do disfarce” da natureza.
Polvos, lulas, chocos e outros animais da família dos cefalópodes são bem conhecidos pela sua capacidade de camuflagem, mudando a cor da pele para se misturarem com o ambiente. Essa notável demonstração de mimetismo é possível graças a processos biológicos complexos que envolvem a xantomatina, um pigmento natural.
Devido à sua capacidade de mudar de cor, a xantomatina há muito intriga os cientistas e até mesmo militares, mas provou ser difícil de produzir e pesquisar em laboratório — até agora.
Num novo estudo, uma equipa liderada pela Scripps Institution of Oceanography da UC San Diego descreve um grande avanço na compreensão da capacidade da natureza de se camuflar, ao desenvolver com sucesso uma nova maneira de produzir grandes quantidades do pigmento xantomatina.
O seu método inspirado na natureza permitiu a superprodução massiva do material pigmentado pela primeira vez numa bactéria, abrindo novas possibilidades para o uso do pigmento numa ampla gama de materiais e cosméticos — de dispositivos fotoeletrónicos e revestimentos térmicos a corantes e protetores UV. A nova abordagem produz até 1.000 vezes mais material do que os métodos tradicionais.
“Desenvolvemos uma nova técnica que acelerou a nossa capacidade de produzir um material, neste caso a xantomatina, numa bactéria pela primeira vez”, disse Bradley Moore, autor sénior do estudo e químico marinho com nomeações conjuntas no Scripps Oceanography e na Escola de Farmácia e Ciências Farmacêuticas Skaggs da UC San Diego. “Esse pigmento natural é o que dá a um polvo ou a uma lula a sua capacidade de camuflagem — um superpoder fantástico — e a nossa conquista em avançar na produção desse material é apenas a ponta do icebergue.”
Os autores do estudo afirmaram que sua descoberta é significativa, não apenas para a compreensão desse pigmento único — que lança luz sobre a biologia e a química do reino animal — mas também porque a técnica utilizada pode ser aplicada a muitos outros produtos químicos, ajudando potencialmente as indústrias a se afastarem de materiais derivados de combustíveis fósseis e a adotarem alternativas naturais.
Um pigmento promissor
Além dos cefalópodes, a xantomatina também é encontrada em insetos do grupo dos artrópodes, contribuindo para os tons brilhantes de laranja e amarelo das asas da borboleta-monarca e para os vermelhos intensos vistos nos corpos das libélulas e nos olhos das moscas.
Apesar das fantásticas propriedades de coloração da xantomatina, ainda é pouco compreendida devido a um desafio persistente no fornecimento. A extração do pigmento de animais não é escalável nem eficiente, e os métodos tradicionais de laboratório são trabalhosos e dependem de síntese química de baixo rendimento.
Investigadores do Laboratório Moore, no Instituto Scripps de Oceanografia, buscaram mudar essa situação, trabalhando com colegas da UC San Diego e do Centro de Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk, na Dinamarca, para desenvolver uma solução, uma espécie de ciclo de retroalimentação de crescimento que eles chamam de “biossíntese acoplada ao crescimento”.
A forma como bioengenheirizaram o pigmento do polvo, uma substância química, numa bactéria representa uma abordagem inovadora em relação às técnicas biotecnológicas típicas. A sua abordagem conectou intimamente a produção do pigmento com a sobrevivência da bactéria que o produziu.
“Precisávamos de uma abordagem completamente nova para resolver esse problema”, disse Leah Bushin, autora principal do estudo, atualmente professora na Universidade Stanford e anteriormente investigadora do pos doutoramento no Laboratório Moore, no Instituto Scripps de Oceanografia, onde seu trabalho foi realizado. “Basicamente, descobrimos uma maneira de enganar as bactérias para que produzissem mais do material de que precisávamos.”
Normalmente, quando os investigadores tentam fazer com que um micróbio produza um composto estranho, isso cria uma grande sobrecarga metabólica. Sem manipulação genética significativa, o micróbio resiste a desviar os seus recursos essenciais para produzir algo desconhecido.
Ao vincular a sobrevivência da célula à produção do composto alvo, a equipa conseguiu enganar o micróbio para que produzisse xantomatina. Para isso, começaram com uma célula “doente” geneticamente modificada, que só sobreviveria se produzisse o pigmento desejado juntamente com uma segunda substância química chamada ácido fórmico. Para cada molécula de pigmento gerada, a célula também produzia uma molécula de ácido fórmico. Este, por sua vez, fornece energia para o crescimento da célula, criando um ciclo autossustentável que impulsiona a produção de pigmento.
“Nós fizemos com que a atividade por meio dessa via, de produção do composto de interesse, fosse absolutamente essencial para a vida. Se o organismo não produzir xantomatina, não crescerá”, disse Bushin.
Para aprimorar ainda mais a capacidade das células de produzir o pigmento, a equipa utilizou robôs para evoluir e otimizar os microrganismos geneticamente modificados por meio de duas campanhas de evolução adaptativa em laboratório de alto rendimento, desenvolvidas pelo laboratório do coautor do estudo, Adam Feist, professor do Departamento de Bioengenharia Shu Chien-Gene Lay da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego e cientista sênior do Centro de Biossustentabilidade da Fundação Novo Nordisk. A equipa também aplicou ferramentas de bioinformática personalizadas do Laboratório Feist para identificar mutações genéticas essenciais que aumentaram a eficiência e permitiram que as bactérias produzissem o pigmento diretamente a partir de uma única fonte de nutrientes.
“Este projeto oferece um vislumbre de um futuro onde a biologia possibilita a produção sustentável de compostos e materiais valiosos por meio de automação avançada, integração de dados e design orientado por computador”, disse Feist. “Aqui, mostramos como podemos acelerar a inovação na biofabricação reunindo engenheiros, biólogos e químicos, utilizando algumas das técnicas de engenharia de linhagens mais avançadas para desenvolver e otimizar um produto inovador em um tempo relativamente curto.”
Os métodos tradicionais rendem cerca de cinco miligramas de pigmento por litro “se você tiver sorte”, disse Bushin, enquanto o novo método rende entre um e três gramas por litro.
A transição da fase de planeamento para a experimentação propriamente dita em laboratório exigiu vários anos de trabalho dedicado, mas, uma vez que o plano foi colocado em prática, os resultados foram quase imediatos.
“Foi um dos meus melhores dias no laboratório”, recordou Bushin sobre o primeiro experimento bem-sucedido. “Eu montei o experimento e deixei-o a funcionar durante a noite. Quando voltei na manhã seguinte e percebi que tinha funcionado e estava a produzir muito pigmento, fiquei radiante. Momentos como este são o motivo pelo qual faço ciência.”
Próximos passos
Moore prevê que essa nova metodologia biotecnológica, totalmente inspirada na natureza e não invasiva, transformará a maneira como os produtos bioquímicos são produzidos.
“Realmente revolucionamos a forma como as pessoas pensam sobre a engenharia celular”, disse ele. “ A nossa abordagem tecnológica inovadora impulsionou um enorme salto na capacidade de produção. Esse novo método resolve um desafio de abastecimento e agora pode tornar esse biomaterial muito mais acessível.”
Embora algumas aplicações para esse material sejam inusitadas, os autores observaram um interesse ativo por parte do Departamento de Defesa dos EUA e de empresas de cosméticos. Segundo os investigadores, os colaboradores estão interessados em explorar as capacidades de camuflagem natural do material, enquanto empresas de cuidados com a pele estão interessadas em utilizá-lo em protetores solares naturais. Outros setores vislumbram usos potenciais que vão desde tintas domésticas que mudam de cor até sensores ambientais.
“Ao olharmos para o futuro, os humanos precisarão repensar a forma como produzimos materiais para sustentar o nosso estilo de vida sintético, com 8 mil milhões de pessoas na Terra”, disse Moore. “Graças ao financiamento federal, descobrimos um novo caminho promissor para projetar materiais inspirados na natureza que sejam melhores para as pessoas e para o planeta.”
Outros autores do estudo são Tobias Alter, María Alván-Vargas, Daniel Volke, Òscar Puiggené e Pablo Nikel, do Centro de Biosustentabilidade da Fundação Novo Nordisk; Elina Olson, do Departamento de Bioengenharia Shu Chien-Gene Lay da UC San Diego; Lara Dürr e Mariah Avila, do Instituto Scripps de Oceanografia da UC San Diego; e Taehwan Kim e Leila Deravi, da Northeastern University.
Publicado em 3 de novembro na revista Nature Biotechnology , o estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (NIH), pelo Escritório de Pesquisa Naval (ONR), pela Fundação Nacional de Ciência Suíça e pela Fundação Novo Nordisk.
Estudo aqui (https://www.nature.com/articles/s41587-025-02867-7)
