Aplicações da Biotecnologia Marinha

Algumas das aplicações mais pertinentes da aquicultura / biotecnologia marinha são as seguintes:

Aquicultura:

A Organização para a Alimentação e a Agricultura (FAO) define a aquicultura como “a cultura de organismos aquáticos, incluindo peixes, moluscos, crustáceos e plantas aquáticas. A cultura implica alguma forma de intervenção no processo de criação para melhorar a produção - incluindo o armazenamento, a alimentação, a proteção contra predadores, etc.

A cultura também implica em propriedade individual ou corporativa do estoque sendo cultivado ”. Simplificando, a aquicultura significa manipular e melhorar a produção de seres aquáticos. Esta prática tem uma influência significativa na indústria de frutos do mar.

A demanda mundial por frutos do mar deve subir 70% nos próximos trinta e cinco anos. E com a colheita de frutos do mar da pesca caindo gradativamente, a indústria está sendo ameaçada por uma grande escassez nos próximos anos.

O uso de ferramentas biotecnológicas modernas para criar e melhorar a produção de espécies aquáticas pode não apenas ajudar a atender às demandas globais de frutos do mar, mas também melhorar a agricultura de aqüicultura em si. Estas técnicas também melhoram a saúde, reprodução, desenvolvimento e crescimento de organismos aquáticos, e assim promovem o desenvolvimento interdisciplinar de sistemas ambientalmente sensíveis e sustentáveis. Isto, por sua vez, levará a uma comercialização substancial da aquicultura.

Transgênico:

Peixes Transgênicos:

A criação convencional de peixes baseia-se na selecção da ninhada de peixes, de modo a melhorar as características desejáveis ​​nos peixes. No entanto, esse processo é lento e imprevisível. Novas ferramentas moleculares são muito mais eficientes para identificar, isolar e construir os genes responsáveis ​​por características desejáveis ​​e, posteriormente, transferi-los para a criação.

A produção de peixes transgênicos é, de fato, muito mais fácil do que a produção de outros mamíferos transgênicos. Isso porque os peixes produzem um grande número de ovos (de várias dúzias a vários milhares), o que pode gerar grandes quantidades de material geneticamente uniforme para experimentação.

Por exemplo, o peixe zebra (Brachydanio rerio) produz 1, 50.400 ovos, salmão do Atlântico (Salmo salar) 500.015.000, e a carpa comum (Cyprinus carpio) produz mais de 1, 00.000 ovos. Além disso, o processo não exige manipulação, uma vez que os genes tenham sido transferidos através de ovas de peixe. A manutenção de uma incubadora de peixes, portanto, não é muito cara, especialmente em contraste com a transformação de mamíferos fertilizados.

Resistência a doenças:

A biologia molecular fornece informações valiosas sobre os ciclos de vida e mecanismos de patogênese, resistência a antibióticos e transmissão de doenças. Esta informação pode melhorar nossa compreensão da imunidade do hospedeiro, resistência, suscetibilidade de doenças e patógenos associados.

Tal entendimento é de grande importância para a indústria naval. Por exemplo, as condições de cultura de alta densidade da aquicultura colocam muito estresse nos peixes, tornando-os extremamente vulneráveis ​​à infecção. Um grande surto desse tipo prejudica gravemente toda a atividade agrícola, causando enormes prejuízos à indústria. Isto pode ser evitado desenvolvendo-se cepas robustas de peixes que podem suportar uma variedade de doenças.

A ciência moderna oferece enormes oportunidades para melhorar a saúde e o bem-estar dos organismos aquáticos cultivados, bem como reduzir a transferência de doenças de populações selvagens. Várias abordagens transgênicas têm sido usadas para aumentar a capacidade de resistência a doenças em peixes. As tecnologias antisense e ribozima são utilizadas para neutralizar ou destruir o RNA viral. Por exemplo, o Vírus da Necrose Hematopoiética (HNV) causa uma severa mortalidade em salmonídeos, e neutralizar este vírus pode melhorar o crescimento de salmonídeos.

Outro método é expressar as proteínas do revestimento viral (como a proteína G de 66kDa de HNV) na membrana do hospedeiro. Isto irá estimular a ligação aos locais de ligação ao receptor e, assim, competir com os sítios de ligação viral, minimizando a penetração viral. Joann Leong e seu grupo na Universidade Estadual do Oregon relataram este estudo.

No entanto, o método mais eficaz de combater a infecção da doença é impulsionar o sistema imunológico do próprio hospedeiro, expressando substâncias antimicrobianas e antibacterianas. Peptídeos antibacterianos como maganinas e lisozima estão sendo testados para aumentar a resposta de defesa do hospedeiro contra uma ampla gama de patógenos.

A técnica de reação em cadeia da polimerase via transcriptase reversa (RT-PCR) permitiu identificar e detectar birnavírus aquáticos. Estes vírus formam o maior e mais diversificado grupo da família Birnaviridae, que inclui vírus de numerosas espécies de peixes e invertebrados.

Muitas destas espécies causam doenças em espécies de água doce selvagens e selvagens e espécies marinhas. O ensaio de RT-PCR é um substituto rápido e confiável para métodos de cultura de células para a detecção de agentes de doenças de peixes como o vírus da necrose pancreática. Também pode melhorar a prevenção e o controle de doenças de peixes.

Outra aplicação significativa da biotecnologia marinha tem sido vista na Universidade da Califórnia, onde pesquisadores decifraram a causa de uma doença altamente contagiosa e mortal que assola a aquicultura de esturjão branco. Usando manipulações genéticas, esses cientistas desenvolveram protocolos para detectar a presença do iridovírus branco Strugeon, que ajudará no desenvolvimento de estoques reprodutores livres de doenças.

Peixe Resistente a Congelamento:

Técnicas recombinantes podem ser usadas para transferir um gene da proteína anticongelante (AFP) para conferir resistência ao congelamento em várias espécies. As AFPs são produzidas por vários teleósteos marinhos de água fria (como azevias de inverno, faneca oceânica, corvo marinho, escaravelho de shorthorn). Essas proteínas impedem a formação de cristais de gelo no sangue e, portanto, protegem os peixes do congelamento.

Infelizmente, muitos peixes comercialmente importantes, como o salmão do Atlântico, não carregam esses genes e, portanto, não podem sobreviver a temperaturas abaixo de zero. Desenvolver o salmão atlântico transgênico adicionando este gene pode ser extremamente proveitoso para a indústria de peixes. AFPs também foram relatados para conferir proteção hipotermia para oócitos de porco e pode ser útil em proteção contra o frio. Peixes de ouro transgênicos com o gene AFP também sobrevivem melhor em baixas temperaturas.

Taxa de crescimento :

Manipulações genéticas podem aumentar substancialmente a taxa de crescimento na cultura de peixes. Um método é a microinjeção de genes da hormona do crescimento em ovos de salmão fertilizados. Isso acelerou suas taxas de crescimento em trinta a sessenta por cento. Colocar uma cópia extra do gene do hormônio de crescimento em um embrião de peixe (tilápia) em um estágio inicial também melhorou sua taxa de crescimento em cinco vezes.

Reprodução :

A reprodução é uma questão importante para a indústria de aquacultura de peixes. À medida que o peixe amadurece, sua taxa de crescimento diminui e a qualidade da carne se deteriora. Os métodos biotecnológicos de supressão do processo de maturação podem ser beneficamente utilizados para manter a qualidade desses peixes. Essas técnicas também podem ser usadas para regular a reprodução de algumas espécies de peixes, desenvolvendo espécies não-reprodutivas (estéreis).

Essas espécies têm um enorme valor comercial, uma vez que organismos mono-sexuais ou espécies esterilizadas não apresentam risco de interação entre a fazenda e a natureza. Essas espécies também permitem a reconstrução de estoque de esperma conservado e fornecem marcadores genéticos para identificação de estoque. Assim, estas técnicas ajudam na conservação de recursos silvestres.

Pesquisadores também desenvolveram técnicas para o uso de partículas virais modificadas (vetores retrovirais) para alterar o gene de um invertebrado marinho. Esta é a primeira aplicação da biologia molecular onde a alteração do DNA em um organismo marinho foi demonstrada. Agora é possível alterar geneticamente o anão-do-mar usando um novo envelope viral, que permite que o vetor entre virtualmente em qualquer tipo de célula.

Em outros avanços significativos, os cientistas projetaram um "gene repórter" em vetores. Este gene repórter induz o óculo surfclam fertilizado a dar uma cor azul, o que é indicativo de implantação gênica.

Espera-se que este trabalho forneça uma nova ferramenta para combater doenças que atacam estoques comerciais de ostras, mariscos e abalone. Uma vez que os genes responsáveis ​​por proteger os crustáceos da doença são identificados, os vetores retrovirais podem ser usados ​​para entregar esses genes de proteção diretamente no estoque da ninhada.

Técnicas como a eletroporação são eficazes na introdução de DNA estranho em embriões de abalone (peixes). Cientistas da Universidade de Minnesota usaram com sucesso sequências de isoladores genéticos (obtidos de DNA de galinha e mosca-da-fruta) em peixes e descobriram controladores genéticos que funcionam melhor para ativar genes estranhos.

Conservação:

Ferramentas moleculares podem ser usadas para identificar e caracterizar um importante plasma germinal aquático, incluindo muitas espécies ameaçadas. Essas ferramentas permitiram analisar os genomas de muitas espécies aquáticas. Eles também nos ajudaram a entender as bases moleculares da regulação gênica, expressão e determinação sexual. Isso pode melhorar as metodologias para definir espécies, estoques e populações.

Tais abordagens moleculares incluem:

1. Desenvolvimento de tecnologias de seleção assistidas por marcadores

2. Melhorando a precisão e eficiência de técnicas transgênicas

3. Impressão digital de DNA para conhecer o polimorfismo nos estoques de peixes

4. Melhoria das tecnologias de criopreservação de gâmetas e embriões

Essas técnicas podem nos ajudar a manter a biodiversidade dos ecossistemas naturais. Ferramentas biotecnológicas também podem ser usadas para desenvolver protocolos hormonais que controlam a desova de peixes economicamente importantes, como salmão do Atlântico, robalo, linguado, robalo, robalo e algumas tropicais marinhas.

Algas e seus produtos:

As algas marinhas são algas marinhas (macro algas) que existem no ambiente marinho. Estas são plantas marinhas que não possuem verdadeiros caules, raízes e folhas. Assim como as plantas terrestres, as algas também têm máquinas fotossintéticas e usam a luz solar para produzir comida e oxigênio a partir de dióxido de carbono e água. A maioria das algas marinhas é vermelha (5500 sp.), Marrom (2000 sp.) Ou verde (1200 sp.).

As algas são uma rica fonte de alimento, forragem e uma série de compostos químicos industrialmente importantes. Na verdade, as algas marinhas são uma indústria de bilhões de dólares. A alga mais valorizada é a alga vermelha Porphyra or nori, que é uma importante fonte de alimento humano em todo o mundo. Sua produção mundial é de aproximadamente quatorze bilhões de folhas e está avaliada em cerca de US $ 1, 8 bilhão todos os anos.

As outras algas comestíveis incluem Gracilaria, Undaria, Laminaria e Caulerpa. Seaweeds industrialmente importantes para carragenanos incluem espécies como Chondrus, Eucheuma e Kappaphycus, alginatos (Ascophyllum, Laminaria, Macrocystis) e ágar-ágar (Geledium e Gracilaria). Estes importantes polissacáridos, também chamados ficocolóides, são reconhecidos mundialmente como inofensivos.

Ágar-Agar:

Agar é comumente extraído de ervas daninhas vermelhas como Gelidium e Gracilaria. O ágar contém dois componentes importantes - Agarose e Agropectina, que tornam os compostos de ágar extremamente úteis para a fabricação de papel, meios de cultura, preservação de produtos alimentícios e indústrias de embalagens, couro, laticínios e cosméticos.

Carragenina:

Carrageninas são comumente extraídas de espécies de Eucheuma e Chondrus. Diferentes formas de carrageninas são referidas como kappa, lambda, iota, mu e épsilon. Quase 20% da produção de carragenina é usada pelas indústrias cosmética e farmacêutica como estabilizadores de emulsões. As carragenanas também são usadas em alimentos dietéticos, como sobremesas sem amido, molhos de salada, geleias, geléias, xaropes e molhos de pudim.

Alginatos:

Os alginatos são sais de alginato de sódio, cálcio ou potássio e são utilizados em uma ampla variedade de produtos. O ácido algínico é comumente extraído da Laminaria, Ecklonia e Macrocystis. Os alginatos são utilizados como emulsionantes e estabilizadores de emulsões em cremes e loções. Alginato de sódio atua como um agente lubrificante em sabonetes e cremes de barbear. Os alginatos são também utilizados no encapsulamento de micróbios, células vegetais e animais que são utilizados como produtores de metabolitos ou bio-conversores.

Agentes Terapêuticos:

A ampla aplicação de extractos de algas marinhas na indústria cosmética deu origem à "Talassoterapia", em que as algas marinhas e os seus extractos são utilizados como agentes terapêuticos. No tratamento de talassoterapia, água do mar e algas marinhas são usadas para atuar nas células do corpo humano para desintoxicar e simultaneamente reequilibrar o pH da pele.

As algas utilizadas para esta terapia incluem Laminaria digitata, que é rica em vitaminas A, E, C e B, aminoácidos, hormônios e iodo. Aumenta a taxa de metabolismo e também estimula o consumo de oxigênio nas células e alivia a produção de calor.

Outros compostos de algas marinhas incluem terpenos, aminoácidos, fenóis, substâncias pirrólicas, arsenenosugars, esteróis (como o fucosterol), corantes (como fitoeritrinas de algas vermelhas e hines de algas marrons) e aminoácidos (como condrina, gigartinina, ácido caínico ou β- caroteno) também possuem um tremendo valor. Spirulina, as bactérias verdes azuis (cynobacteria) e Ascophyllum nodosum podem ser efetivamente utilizadas como auxiliares de dieta, tônicos gerais e rejuvenescedores.

Alguns dos polissacarídeos sulfatados de algas vermelhas, verdes e marrons também foram encontrados para ter propriedades anticoagulantes. Estes incluem proteoglicanos de Codium fragile sp. atlanticum e lambda-carragenina e carragenina do Grateloupia dichotoma. Estes compostos exibem propriedades semelhantes à heparina encontrada em tecidos de mamíferos, o que ajuda na coagulação do sangue. Esses extratos servem como uma excelente alternativa à heparina usada na prevenção da trombose coronariana.

Alguns polissacarídeos sulfatados também possuem propriedades antivirais. Carragenina tem sido usada para inibir o vírus Herpes Simplex (HSV). Recentemente, foi observado que a carragenina tamb� inibe o V�us da Imunodefici�cia Humana (VIH) ao interferir com as c�ulas de fus� infectadas com VIH e, subsequentemente, inibir a enzima retroviral da transcriptase reversa.

Muitas outras algas e seus produtos têm benefícios diretos para a saúde humana. Por exemplo, as espécies de Laminaria são ricas em iodo e podem ser usadas para fabricar bebidas dietéticas e cremes de massagem. Da mesma forma, Sargassum muticumm é rico em vitaminas E e K, Lithothamnion e Phymatolithon são ricos em carbonato de cálcio e oligoelementos. Ferramentas moleculares podem ajudar a explorar essas espécies e colher produtos importantes delas.

Farmacêutica:

Pesquisadores de biotecnologia isolaram muitas substâncias bioativas do ambiente marinho, que possuem grande potencial para o tratamento de várias doenças humanas. O composto 'Manoalide' de uma esponja específica gerou mais de trezentos análogos químicos, muitos dos quais foram para ensaios clínicos como agentes anti-inflamatórios. Os cientistas também identificaram vários metabólitos marinhos que são ativos contra o parasita da malária Plasmodium falciparum.

Em um estudo realizado na Universidade do Havaí, os pesquisadores relataram a presença do composto complexo 'Depsipeptide'. Pequenas quantidades deste composto são encontradas no molusco Elysia rufescens e na alga na qual ele se alimenta. O dipeptídeo é ativo contra tumores de pulmão e cólon, e manipulações genéticas do molusco podem gerar quantidades suficientes do fármaco para teste.

Outra droga obtida a partir de plantas marinhas e animais invertebrados é 'Pseudopterosin'. Este novo glicosídeo diterpênico inibe a inflamação. Embora esteja sendo amplamente utilizado na indústria cosmética atualmente, espera-se que atinja a indústria farmacêutica bem depois dos testes clínicos.

O briozoário 'Bugula neritina', um invertebrado marinho de crescimento lento, tem sido relatado como fonte de um potencial medicamento para a leucemia. A droga está presente em pequenas quantidades no animal. Como os animais invertebrados vivem em relação simbiótica com a bactéria, a bactéria sintetiza a droga tóxica para proteger o briozoário contra os predadores, em troca de espaço sobre o qual poderia crescer.

Pesquisadores da Universidade da Califórnia estão tentando provar que a droga pode ser produzida em grande quantidade pela bactéria. Além disso, eles estão tentando desenvolver métodos para cultura em larga escala da bactéria. Mais pesquisas estão sendo feitas para desvendar como a droga pode ser isolada.

Enzimas:

Muitas enzimas também foram isoladas de bactérias marinhas. Essas enzimas exibem características únicas que permitem que elas prosperem melhor em ambientes extremos. Algumas destas enzimas são resistentes ao calor e sal, o que as torna úteis para o processo industrial. Vejamos a aplicabilidade de algumas dessas enzimas.

As proteases extracelulares podem ser usadas em detergentes e para aplicações de limpeza industrial como a limpeza de membranas de osmose reversa. 'Vibrio alginolyticus' produz proteases, que se apresentam como um detergente incomum e resistente - a exprotease serina alcalina. Este organismo marinho também produz a enzima 'Collagenase', que tem muitos usos industriais e comerciais.

Estudos mostraram que as algas contêm uma única enzima haloperoxidase, que catalisa a incorporação de halogênio em metabólitos. Essas enzimas são extremamente úteis, pois a halogenação é um processo importante na indústria química.

Pesquisadores japoneses também desenvolveram métodos para induzir uma alga marinha a produzir grandes quantidades da enzima superoxidase dismutada, que tem ampla aplicação nas indústrias médica, cosmética e alimentícia. Enzimas termoestáveis ​​têm uma vantagem adicional em pesquisas e processos industriais.

As importantes enzimas modificadoras de DNA termicamente estáveis ​​incluem polimerases, ligases e endonucleases de restrição. Por exemplo, era um organismo marinho do qual a enzima Taq. A polimerase foi isolada. Esta enzima termoestável tornou-se a base da reação em cadeia da polimerase.

Pesquisas da Universidade Rutgers, em Nova Jersey, isolaram uma nova enzima 'a-galactosidase' de 'Thermotoga neapolitana'. Esta enzima hidrolisa os oligómeros da melibiose. Esses oligômeros são componentes importantes da soja e outros produtos de feijão, que limitam a quantidade de soja que pode ser incorporada na alimentação animal para animais mono-gástricos, como porcos e galinhas (já que eles não podem digerir oligômeros). Assim, a galatosidase pode ser usada para remover inibidores de melibiose e protease dos produtos de soja.

Os cientistas também estão tentando obter DNA polimerases (de bactérias), o que aumentará a eficiência dos processos biotecnológicos durante a replicação do DNA. Eles também estão estudando enzimas tolerantes ao frio em ambientes oceânicos muito frios.

A maioria das enzimas envolvidas nas vias metabólicas primárias das bactérias termofílicas são mais estáveis ​​do que suas contrapartes existentes a temperaturas moderadas. Um estudo detalhado de enzimas de microrganismos marinhos termofílicos pode contribuir substancialmente para o entendimento dos mecanismos de estabilidade térmica da enzima e, assim, possibilitar a identificação de enzimas adequadas para aplicações industriais.

Biomoléculas:

Estudos recentes demonstraram que os processos bioquímicos marinhos podem ser explorados para produzir novos biomateriais. Uma empresa sediada em Chicago comercializou uma nova classe de polímeros biodegradáveis, baseados em substâncias naturais, que formam as matrizes orgânicas das conchas de moluscos.

Os mecanismos utilizados pelas diatomáceas marinhas, coccolitóforos, moluscos e outros invertebrados marinhos para gerar estruturas mineralizadas elaboradas são muito excitantes em escala nanométrica (menos de um bilionésimo de um metro de tamanho).

Essas estruturas em escala nanométrica podem melhorar a compreensão dos processos de engenharia para a criação de biocerâmicas, o que pode revolucionar a fabricação de implantes médicos, peças automotivas, dispositivos eletrônicos, revestimentos de proteção e outros produtos novos.

Polímeros biodegradáveis:

As conchas de ostras estão fornecendo uma nova fonte de polímeros biodegradáveis ​​sintéticos com uma ampla gama de propriedades industriais úteis. Estes polímeros são usados ​​para tratamento de água e aplicações agrícolas. A Donlar Corporation of Bed, em Ford Park, Illinois, estimou que o mercado potencial para esses produtos vale milhões de dólares.

Usando o composto anticongelante natural encontrado no linguado de inverno como modelo, os pesquisadores também estão desenvolvendo peptídeos anticongelantes sintéticos, que serão biodegradáveis ​​e ajudarão a controlar a formação de gelo em aviões, rodovias e plantações agrícolas.

Biorremediação:

A biorremediação possui um grande potencial para resolver problemas dos ambientes marinhos e da aquicultura. Este processo pode ajudar a lidar com derramamentos de óleo, movimentação de produtos químicos tóxicos da terra devido à lixiviação, disposição de esgoto e resíduos químicos, recuperação de minerais como manganês e manejo da aqüicultura e processamento de frutos do mar.

Pesquisadores da Universidade Estadual da Louisiana, EUA, desenvolveram abordagens biotecnológicas tradicionais para metabolizar poluentes tóxicos, como PCBs (Poly Chloro Biphenyls), PAH e creosoto. Eles também obtiveram sucesso no tratamento biológico e reciclagem de madeiras marinhas usadas e estacas recuperadas de instalações marítimas, como portos e estruturas de produção de petróleo. Seus estudos forneceram novas maneiras para a remoção de creosoto, cobre, cromo, arsênio e outros compostos tóxicos da madeira tratada, para promover a reciclagem da madeira.

Ferramentas recombinantes também podem ser usadas para transferir genes de plantas e animais, que produzem metalotioneínas (proteínas de ligação a metais) para organismos marinhos, para facilitar a descontaminação da água. Os cientistas inseriram o gene da metalotioneína de frango em uma alga verde 'Chlamydomonas reinhardtii' unicelular, e relataram que isso promoveu o crescimento de algas mais densas em águas contaminadas com cádmio.

Os cientistas também desenvolveram novas bactérias que podem digerir o óleo cinco vezes mais rápido na vizinhança de organismos unicelulares chamados protozoários. Como os protozoários comem bactérias consumidoras de poluição, prevê-se que sua eliminação possa aumentar as taxas de degradação. Estes protozoários foram sugeridos como sendo importantes para a biodegradação. Os pesquisadores também estão tentando decifrar como os protozoários estimulam as bactérias a consumirem os hidrocarbonetos mais rapidamente.

Organismos marinhos também foram usados ​​para detectar concentrações de herbicidas no solo, água e locais contaminados. O ensaio desenvolvido é baseado em uma cyno-bactéria que foi geneticamente modificada para transportar o gene lux em seu genoma.

Esta proteína lux causa emissão de luz na presença do reagente químico dodo-canal. Na presença do herbicida, que atua no mecanismo fotossintético, a emissão de luz pela ciano-bactéria é diminuída de tal forma que pode ser medida e calibrada à concentração do herbicida presente.

Ferramentas biotecnológicas também podem ser usadas para restaurar ambientes danificados. Por exemplo, estudos da Universidade da Flórida sugerem que técnicas de micropropagação usadas para produzir aveia do mar e outras vegetações costeiras podem ajudar na reparação ambiental.

Apesar de todo esse progresso científico, um grande tesouro de valiosos recursos marinhos ainda está inexplorado. Entender a biotecnologia marinha e seu potencial usando técnicas modernas pode ser revolucionário. Isso inclui áreas como biomateriais, produtos farmacêuticos, diagnósticos, aquicultura, frutos do mar, biorremediação, biofilmes e corrosão. Também pode desempenhar um papel importante no desenvolvimento da flora e fauna marinha, que pode ser colhida para o melhoramento da espécie humana.