Epigenética: conduzindo a sinfonia da genética

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A epigenética, que descreve os fatores além do código que regulam a atividade das células, é a nova fronteira da agropecuária

Apesar de todo o exagero, medo e desinformação que cerca a aplicação da edição de genes, existe uma tecnologia igualmente poderosa que oferece o mesmo benefício potencial. Essa tecnologia, a epigenética, é um processo natural que passou despercebido pelos consumidores.

Ainda assim, a epigenética está apresentando uma promessa incrível na busca por meios de fornecer alimentos sustentáveis ​​para uma população crescente, em um planeta cada vez mais desafiado pelas mudanças climáticas.

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É hora de um exame da epigenética e das oportunidades que ela traz, em contraste com o OGM (organismo geneticamente modificado) e as tecnologias de edição de genes. O mercado geral de epigenética está projetado em US$ 35 bilhões em 2028, em grande parte com base em produtos de saúde humana para diagnóstico e tratamento. Mas a aplicação da epigenética ao melhoramento das culturas, saúde animal e aquicultura também pode estar bem perto de ser aproveitada. Vamos explorar o que vemos como oportunidades significativas (e subestimadas).

Uma explicação simples de epigenética

Vamos começar com a genética, o estudo dos genes, o código de DNA que contém as instruções para as células criarem as muitas funções do organismo. O genoma humano contém cerca de 3 bilhões de pares de bases de DNA – o código que torna cada pessoa única. Este código de DNA reside em todas as células, essencialmente o mesmo código em todas as células do seu corpo.

A epigenética explica como o mesmo código de DNA pode orientar algumas células a se comportarem de maneira diferente de outras. A epigenética estuda os compostos químicos e proteínas que podem se anexar ao DNA e direcionar as ações para ativar ou desativar um gene específico – expressando ou silenciando um gene.

Pense em uma orquestra sinfônica. A epigenética seria o maestro que, com apenas um gesto da batuta, transmite a mensagem de acalmar as cordas enquanto aciona os instrumentos de sopro. A sinfonia como um todo permanece intacta, mas o som muda completamente.

O termo foi cunhado em meados do século 20 pelo biólogo britânico Conrad Waddington, que o usou para descrever a maneira como as células, gradualmente, assumem papéis mais especializados durante o desenvolvimento de um embrião – como algumas células se tornam sangue, outras ossos e ainda outras se transformam em nervos, por exemplo. O prefixo “epi” vem do grego e significa “em cima de” ou “em cima”. Portanto, nesta palavra, epigenética, ela descreve os fatores além do código que regulam a atividade das células.

Mas, o mais importante, durante as mudanças epigenéticas, a sequência de DNA nunca muda.

No novo livro do vencedor do prêmio Nobel, Paul Nurse, “O que é a vida? Compreender a Biologia em 5 Lições”, ele explica a epigenética como “o conjunto de reações químicas que as células usam para ativar ou desativar genes de maneiras razoavelmente duradouras”. Como parte de seu capítulo sobre “A vida como informação”, ele continua: “Esses processos epigenéticos não alteram a sequência de DNA dos próprios genes; em vez disso, muitas vezes funcionam adicionando “marcas” químicas ao DNA ou às proteínas que se ligam a esse DNA. Isso cria padrões de atividade genética que podem persistir ao longo da vida de uma célula e às vezes até mais, por meio de muitas divisões celulares. ”

As mudanças epigenéticas são especialmente importantes porque ocorrem naturalmente e ocorrem continuamente. A epigenética é diferente da edição de genes, que faz uma alteração irreversível na sequência do DNA ao remover ou inserir o DNA. Em alguns casos, como em um OGM (organismo geneticamente modificado), o DNA de outra fonte pode ser adicionado. Mas as mudanças epigenéticas não alteram o DNA e podem acontecer de forma reversível, embora algumas mudanças epigenéticas possam persistir nas gerações posteriores.

Uma nova ferramenta

Nas últimas décadas, aprendemos sobre outros fatores que influenciam as mudanças epigenéticas, como idade, comportamento e ambiente, por exemplo. Além disso, agora sabemos os processos químicos que podem ativar ou desativar um gene específico – metilação do DNA, modificação da histona, metilação da acetona e interferência do RNA ou RNAi são os mais comuns.

Um avanço específico ocorreu quando a doutora Sally Mackenzie, professora da Penn State University, encontrou um gene de planta, MSH1, que pode fazer com que uma planta se comporte como se estivesse sob estresse. A planta reprogramada invoca os mecanismos para gerenciar seu crescimento, produzindo maior resiliência. Quando essas plantas impactadas epigeneticamente são reproduzidas ou enxertadas, seus descendentes produzem rendimentos mais elevados e também maior resiliência.

Edevilson José dos Santos/Embrapa
Edevilson José dos Santos/Embrapa

A canola tem feito parte das pesquisas epigênicas na Penn State University, com resultados promissores

As descobertas da doutora Mackenzie se tornaram a base para a empresa Epicrop Technologies Inc., uma das empresas em que a minha empresa, a TechAccel, investiu. Nosso relacionamento com a Epicrop produziu duas subsidiárias que estão avançando no método da doutora Mackenzie para produzir safras reprogramadas de canola e sementes de berries [frutas vermelhas] com rendimentos mais elevados e maior resiliência. (Mais sobre isso, continuo daqui a pouco.)

Porque agora

A introdução do CRISPR e de outras ferramentas de edição de genes abriu novas oportunidades para reprodução e seleção de características, alimentadas pelo rápido desenvolvimento de tecnologias de sequenciamento de ultra-alto rendimento e seus custos em declínio acentuado. Essas mesmas tecnologias apóiam o estudo do florescimento do epigenoma. A cada novo avanço, chegamos mais perto de compreender os interruptores liga-desliga no genoma que podem aumentar a produção, combater o estresse, melhorar o sabor ou a nutrição, retardar a deterioração ou o envelhecimento e influenciar muitas outras características.

O uso de epigenética se tornou mais popular por outro motivo: o ambiente regulatório mais amigável. Uma vez que as mudanças epigenéticas ocorrem continuamente, naturalmente, há um papel menor para a supervisão regulatória do que em produtos com edição de genes ou OGM. O processo epigenético não altera o código genético, a única engenharia é o método para induzir um gene a ligar ou desligar.

E há avanços na aplicação de induções epigenéticas de forma acelerada, muito mais rápida do que as técnicas convencionais de cruzamento. A Sound Agriculture, por exemplo, tem uma estratégia nova e relativamente simples baseada em oligonucleotídeos para silenciar epigeneticamente genes individuais. (Sound Ag é outro dos investimentos selecionados da TechAccel e um parceiro em estudos de prova de conceito em uva.)

Novas fronteiras para a epigenética

A combinação de novos métodos avançados de ativação ou silenciamento de genes, a disponibilidade de sequenciamento de alta velocidade para análise fenotípica e a probabilidade de uma rota regulatória mais simples para o mercado são fatores que tornam a epigenética tão promissora.

Além disso, há um amplo horizonte de oportunidades, com trabalhos em andamento em muitos campos para benefício social e ambiental:

Agricultura: avanços significativos já foram alcançados na compreensão de como usar modificações epigenéticas para melhorar a resistência de uma planta a patógenos e estresse, tornando-a mais capaz de se adaptar ao calor e à seca. O RNAi, que já discuti anteriormente, foi aplicado com sucesso para aumentar o teor de proteína, suprimir amidos, aumentar flavonóides e conferir os benefícios dos pesticidas.

Paulo Lanzetta/Embrapa
Paulo Lanzetta/Embrapa

No morango, o melhoramento epigenético levou a frutos com maior resistência a doenças e um ambiente mais limpo de produção

Em nossos próprios programas de epigenética estamos focados em duas culturas: o morango, que é notoriamente vulnerável a patógenos transmitidos pelo solo e com alcance ambiental limitado, e a canola. No morango, o melhoramento epigenético – com seleção para estabilidade ambiental, maior resistência a doenças e fenótipos adicionais – é uma alternativa atraente não-OGM para realçar características complexas. Na canola, cultura de importância crescente (demanda global estimada em 250 milhões de toneladas em 2025, ante 150 milhões em 2015), focamos na melhoria da produtividade.

Aquicultura: A pesquisa está explorando métodos de uso de epigenética para conferir tolerância ao calor aos recifes de coral, bem como melhorar a alimentação e selecionar características para adaptação a patógenos, doenças e impactos das mudanças climáticas. A ideia é adequar os peixes aos seus ambientes de aquicultura e assim maximizar a produção comercial de forma segura, eficaz e sustentável.

Saúde Animal: A nutrição do gado é uma área emergente para a pesquisa epigenética, examinando maneiras de ajudar os animais a aumentar a absorção de nutrientes ou processar melhor os alimentos. Além disso, toda a aplicação da epigenética para induzir as características desejadas é uma importante área de descoberta. Conforme observado em um artigo recente da revista Frontiers, “a epigenética também é atraente para a criação de animais porque pode ajudar a identificar parte da causalidade ausente e da herdabilidade ausente de características e doenças complexas.

Fagner Almeida/Embrapa
Fagner Almeida/Embrapa

A nutrição animal é uma área emergente para a pesquisa epigenética, podendo ajudar na absorção de nutrientes de uma dieta

Além dessas áreas de pesquisa, aplicações da saúde humana – em nutrição de precisão e medicamentos personalizados, monitoramento de doenças e tratamentos terapêuticos (epidrogas) – quase certamente serão modeladas para outras espécies vegetais e animais.

É por isso que os avanços da epigenética merecem mais atenção de pesquisadores, investidores e consumidores. Vale a pena educar os consumidores sobre as oportunidades da epigenética como uma ferramenta para construir resiliência em face das mudanças climáticas. Depende de nós usar todas as ferramentas disponíveis para melhorar nossos suprimentos de alimentos de forma a nutrir, sustentar e proteger nosso planeta. A corrida começou.

*Michael Helmstetter, natural de Kansas City, é cofundador, presidente e executivo-chefe da TechAccel (Technology Acceleration Partners, empresa de desenvolvimento de tecnologia e empreendimentos no setor de agricultura e saúde animal. A empresa identifica inovações promissoras nas principais áreas de tecnologia e, em seguida, faz investimentos de capital e financia pesquisas para o avanço da ciência. Também é sócio-gerente da Covenant Animal Health Partners, uma subsidiária da TechAccel com foco no desenvolvimento de produtos de saúde animal para animais de companhia e de fazenda. Tem mais de 30 anos de experiência em start-ups, spin-offs e avanços tecnológicos em setores como agricultura, defesa e biotecnologia.

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