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Bioluminescência de artrópodes: diversidade biológica em biomas brasileiros; origem bioquímica; evolução estrutural/funcional de luciferases; diferenciação molecular das lanternas; aplicações biotecnológicas, ambientais e educacionais

Processo: 10/05426-8
Linha de fomento:Auxílio à Pesquisa - Temático
Vigência: 01 de maio de 2017 - 30 de abril de 2022
Área do conhecimento:Ciências Biológicas - Biofísica - Radiologia e Fotobiologia
Pesquisador responsável:Vadim Viviani
Beneficiário:
Instituição-sede: Centro de Ciências e Tecnologias para a Sustentabilidade (CCTS). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). Sorocaba, SP, Brasil
Pesq. associados:Carl Johnson ; Fábio Camargo Abdalla ; Jörg Kobarg ; Mário Tyago Murakami ; Simone Policena Rosa ; Yoshihiro Ohmiya
Assunto(s):Técnicas biossensoriais  Bioluminescência  Biofotônica  Indicadores biológicos  Luciferases 

Resumo

A bioluminescência, a emissão de luz fria por organismos vivos, tem sido objeto de muitos estudos multidisciplinares envolvendo física, química e biologia, tendo resultado em importantes descobertas científicas e aplicações biotecnológicas no último século. Ela pode ser considerada como uma das assinaturas da vida, e por este motivo tem sido utilizada como excelente bioindicador nos níveis molecular, celular, organísmico e até biosférico. No ambiente terrestre ela ocorre entre as bactérias, fungos, anelídeos, moluscos e principalmente entre os artrópodes. Entre os insetos, o sistema bioluminescente de coleópteros é bem conhecido, enquanto que os sistemas bioluminescentes de dípteros ainda permanecem praticamente desconhecidos. O Brasil abriga a maior biodiversidade de organismos bioluminescentes do mundo, incluindo besouros, fungos e espécies marinhas. Entretanto, com a exceção de levantamentos e estudos de besouros bioluminescentes da Mata Atlantica, e mais recentemente de fungos, ainda pouco se conhece sobre a biodiversidade bioluminescente de biomas de Cerrado e Floresta Amazônica que estão severamente ameaçados pelo progresso da agropecuária. Na ultima década os cDNAs que codificam várias enzimas luciferases de besouros brasileiros com diferentes propriedades de bioluminescência (cores, cinéticas, sensibilidades ao pH, termoestabilidades) foram clonadas, expressas, purificadas e investigadas sob os aspectos estrutural/funcional e evolutivo pelo nosso grupo de pesquisa, revelando importantes determinantes dos espectros de bioluminescência, sensibilidade ao pH e atividade oxigenásica. Os conhecimentos adquiridos já estão permitindo a engenharia destas proteínas para melhorar sua aplicabilidade biotecnológica, sendo que algumas destas luciferases já adquiriram aplicação comercial efetiva. Entretanto, ainda permanecem várias questões em aberto, entre as quais: (1) a origem e evolução estrutural/funcional das luciferases de besouros; (2) a identidade das luciferases, luciferinas e proteínas acessórias de dípteros e outros artrópodes bioluminescentes; (3) a origem e evolução anatômica/bioquímica do aparato bioluminescente em dípteros e coleópteros e suas possíveis relações evolutivas. Além disto, apesar da inquestionável utilidade das luciferases de besouros e outros organismos para finalidades bioanalíticas, no Brasil ainda não se utilizam o amplo repertório único de luciferases recombinantes oriundas de nossa fauna, recorrendo a importação dos reagentes. Assim, este projeto temático visa realizar amplo estudo multidisciplinar da bioluminescência terrestre (especialmente de insetos no Brasil e no mundo), envolvendo: (I) levantamento da biodiversidade de artrópodes bioluminescentes em biomas de Cerrado, Floresta Amazônica, com a investigação de suas propriedades de bioluminescência, evolução e filogenia molecular, e aplicação como bioindicador ambiental; (II) investigar o sistema bioluminescente de dípteros, especialmente a identidade molecular das luciferases, luciferinas e proteínas acessórias de Orfelia fultonii da região paleártica; (III) clonar e investigar a estrutura, função e evolução molecular das luciferases e proteínas acessórias de artrópodes bioluminescentes; (IV) investigar a origem anatômica e metabólica da bioluminescência em coleópteros e dípteros bioluminescentes através de uma abordagem envolvendo biologia celular, genômica funcional, e (V) investigar a aplicabilidade das luciferases investigadas e otimizadas por nosso grupo de pesquisa no desenvolvimento de aplicações biotecnológicas, ambientais e educacionais (genes repórter, biossensores enzimáticos e celulares luminescentes, bioensaios e bioimagem, kits demonstrativos). (AU)