A biologia sintética vai transformar a forma como cultivamos os alimentos

A biologia sintética² é um campo da ciência que consiste no redesenho de organismos para o desempenho de novas habilidades, por meio da aplicação de análises computacionais em junção com princípios da engenharia genética. O foco principal de tais esforços é expandir o conhecimento sobre funções biológicas dos sistemas e gerar novos sistemas biológicos para obtenção de produtos biotecnológicos inovadores, com maior rapidez e redução de custos, capazes de fornecer novas soluções para os principais desafios que abrangem a bioeconomia em benefício da sociedade.

A biologia sintética vai transformar a forma como cultivamos os alimentos, o que comemos e a fonte de origem de materiais e medicamentos (Voigt, 2020). A implementação da biologia sintética na agricultura oferecerá benefícios para o aumento da produtividade e a sustentabilidade, por meio da diminuição do impacto ambiental negativo causado pelos métodos tradicionais de produção de alimentos (Goold et al., 2018). A partir do redesenho de organismos para fins específicos é possível reduzir o uso de fertilizantes sintéticos, otimizando a utilização de macro e micronutrientes pela planta, melhorar a eficiência do carbono e o valor nutricional das plantas agrícolas e aproveitar o poder dos organismos capazes de realizar a fotossíntese como plataformas de produção em grande escala.

Os novos métodos de fenotipagem de plantas de alto desempenho, atrelados às tecnologias genéticas que estão sendo propostas, serão uteis na investigação dos traits de interesse advindos do comportamento da planta, os quais estão relacionados às características fisiológicas da sua parte aérea, quanto da raiz sobre a influência do ambiente em complexa transformação (Costa et al., 2019; Zhu et al., 2020).

Novas ferramentas e novos métodos de fenotipagem de plantas (FP), provenientes da instrumentação, da automação, da agricultura de precisão e digital, da ciência de dados e dos métodos quantitativos, são consideradas de rupturas e possibilitam a investigação de forma não invasiva, não destrutiva, e de alto desempenho. Uma análise do passado, do presente e do futuro da fenotipagem de plantas é apresentada por Pieruschka e Schurr (2019).

O microbioma, os genomas coletivos de todos os microrganismos (bactérias, fungos e vírus) em um ser humano, planta, animal ou comunidade ambiental, possui um potencial biotecnológico tremendo. No caso das plantas e animais, por exemplo, afeta a produtividade, bem como a proteção contra o estresse e resistência a patógenos. Em bovinos, o microbioma também pode influenciar a quantidade de metano produzida pelo animal (Douglas, 2019).

Nesse contexto, microrganismos presentes no solo poderão ser aprimorados para aumentar a capacidade de absorção de nutrientes no solo, reduzindo o uso de insumos e proporcionando colheitas mais nutritivas; fixar mais carbono, capturar mais água; ou para prevenir a erosão do solo. Os microbiomas, em geral, mantêm a funcionalidade e o equilíbrio de ecossistemas e influenciam a saúde humana, resiliência climática, segurança alimentar, dentre outros fenômenos naturais críticos. A reescrita de genomas também terá um papel importante na biologia sintética de plantas, permitindo que novos sistemas biológicos, incluindo plantas e células vegetais, sejam projetados com precisão para fins específicos na agricultura (El Karoui, 2019). Esses sistemas podem ser usados para uma grande diversidade de propósitos, como reduzir perdas de safras alterando as respostas celulares a patógenos ou a estresses associados às mudanças climáticas, bem como proporcionar um melhor aproveitamento energético pelas plantas.

Manipular a fotossíntese em plantas, cianobactérias e algas artificialmente, bem como desenvolver uma célula totalmente sintética capaz de realizar fotossíntese, potencializará o aproveitamento da energia solar, ampliando consideravelmente a síntese de açúcares e o armazenamento de energia (Dogutan; Nocera, 2019). Será possível reprogramar processos biológicos e utilizar novas rotas bioquímicas de origem sintética e/ou biológica em plantas. No futuro, será possível desenvolver reações bioquímicas mais eficientes e fazer com que elas ocorram nas células, transplantando estruturas híbridas ou artificiais, reparando-as e fazendo se reproduzir para manter a fonte contínua e renovável de energia.

A biologia sintética está mudando o que comemos e a fonte de origem de materiais e medicamentos. Muitos dos novos alimentos serão feitos pela biologia sintética com princípios de engenharia genética para criar formas de vida a partir do zero. Frequentemente, é uma proteína produzida pela planta que confere uma determinada propriedade nutricional. Assim, a sequência do gene para essa proteína, ou via metabólica, é introduzida em células de leveduras ou bactérias para que ocorra sua produção em massa por meio do processo de fermentação. Esses microrganismos se tornam então pequenas fábricas de produção da proteína desejada, que é utilizada como ingrediente alimentar. Por sua vez, células com genoma sintético também poderão ser desenvolvidas na produção de moléculas específicas de interesse econômico, como as enzimas hidrolíticas amilase, celulase, lipase e xilanase para a produção de biodiesel e bioetanol a partir de diferentes substratos (Zhang et al., 2020).

Seja qual for o sistema a ser explorado, faz-se necessário um conhecimento robusto dos diferentes sistemas biológicos e da base bioquímica para projetar as modificações genéticas necessárias em plantas, animais e microrganismos com precisão e segurança. A fim de criar esses modelos, grandes conjuntos de dados decorrentes da medição de vários parâmetros do comportamento de uma célula ou organismo em diferentes condições são essenciais. Há uma grande expectativa de que os avanços alcançados nos sistemas de coleta e medição de dados gerem exatamente os grandes conjuntos de dados necessários. Estes poderão ser analisados usando inteligência artificial ou uma abordagem de aprendizado de máquina para otimizar o design de produtos biológicos sintéticos e alcançar a maior capacidade da biologia sintética de empregar o poder da natureza para resolver problemas complexos da agricultura e da alimentação.