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
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Vigência: 01 de maio de 2017 - 31 de outubro de 2022
• Área do conhecimento: Ciências Biológicas - Biofísica - Radiologia e Fotobiologia
• Pesquisador responsável: Vadim Viviani
• Beneficiário: Vadim Viviani
• Instituição Sede: Centro de Ciências e Tecnologias para a Sustentabilidade (CCTS). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). Sorocaba , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Carl Johnson ; Fábio Camargo Abdalla ; Jörg Kobarg ; Mário Tyago Murakami ; Simone Policena Rosa ; Yoshihiro Ohmiya
• Auxílios(s) vinculado(s): 17/22262-8 - EMU concedido no processo 2010/05426-8- câmara de fotodetecção e bioimagem CCD, AP.EMU
• Bolsa(s) vinculada(s): 22/14071-6 - Caracterização da proteína de fusão zz-amyluc e sua otimização para fins de imunoensaios bioluminescentes, BP.IC; 21/11544-8 - Técnicas de biologia molecular e expressão heteróloga de proteínas, BP.TT; 21/03901-5 - Expressão de luciferases em células de mamíferos para finalidades de bioensaios e efeito fototóxico de luciferinas e compostos fluorescentes de coleópteros e dípteros, BP.PD; + mais bolsas vinculadas 20/07649-6 - Aplicação da bioluminescência para rastreamento de células e processos inflamatórios: estudo in vitro e in vivo, BP.PD; 18/07925-3 - Comparação transcricional do integumento de larvas de coleópteros bioluminescentes e não-bioluminescentes durante a ecdise; isolamento, expressão e caracterização de cumarato-ligases e lacases; e relação entre pigmentação e o processo de bioluminescência, BP.PD; 18/26151-9 - Engenharia da luciferase de Amydetes vivianii para uso como reagente bioanalítico e biossensor de metais, BP.IC; 18/17855-2 - Clonagem, expressão e caracterização de luciferases de fengodídeos e proteínas do sistema bioluminescente: aspectos estruturais, funcionais e evolutivos, BP.DD; 18/19430-9 - Expressão heteróloga de luciferases em leveduras: potenciais aplicações em biossensores celulares e imunoensaios bioluminescentes, BP.PD; 18/03883-4 - Implementação, manutenção e divulgação de museu de luminescência, BP.TT; 17/26149-1 - Comparação dos tecidos fotogênicos e não fotogênicos de dípteros keroplatideos bioluminescentes e não-bioluminescentes: aspectos morfológicos e bioquímicos, BP.IC; 18/02538-1 - Resolução das estruturas tridimensionais de luciferases de besouros e enzimas relacionadas por cristalografia de raios X: relação entre estrutura, espectros de bioluminescência e atividade oxigenásica, BP.PD - menos bolsas vinculadas
• Assunto(s): Biofotônica Indicadores biológicos Bioluminescência Técnicas biossensoriais Luciferases Biodiversidade Artrópodes
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Biofotônica | Bioindicadores | bioluminescência | biossensores | luciferases | luciferinas | Biofotonica

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 Atlântica, 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 última 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)

Publicações científicas

(21)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

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FALASCHI, RAFAELA L.; AMARAL, DANILO T.; SANTOS, ISAIAS; DOMINGOS, ADAO H. R.; JOHNSON, GRANT A.; MARTINS, ANA G. S.; VIROOMAL, IMRAN B.; POMPEIA, SERGIO L.; MIRZA, JEREMY D.; OLIVEIRA, ANDERSON G.; et al. Neoceroplatus betaryiensis nov. sp. (Diptera: Keroplatidae) is the first record of a bioluminescent fungus-gnat in South America. SCIENTIFIC REPORTS, v. 9, AUG 5 2019. (10/05426-8, 17/22501-2, 13/16885-1)

MAZUMDER, ZEAUL H.; SHARMA, DEBDULAL; SENGUPTA, DEVASHISH; MUKHERJEE, AVINABA; BORUAH, JAYANTA SARMAH; BASU, SAMITA; SHUKLA, PRADEEP KUMAR; JHA, TARUN. Luciferase isozymes from the Brazilian Aspisoma lineatum (Lampyridae) firefly: origin of efficient pH-sensitive lantern luciferases from fat body pH-insensitive ancestors. PHOTOCHEMICAL & PHOTOBIOLOGICAL SCIENCES, v. 19, n. 12, p. 1776-1789, DEC 1 2020. (10/05426-8, 16/07312-6)

VIVIANI, VADIM R.; GABRIEL, GABRIELE V. M.; BEVILAQUA, VANESSA R.; SIMOES, A. F.; HIRANO, T.; LOPES-DE-OLIVEIRA, P. S.. The proton and metal binding sites responsible for the pH-dependent green-red bioluminescence color tuning in firefly luciferases. SCIENTIFIC REPORTS, v. 8, DEC 4 2018. (10/05426-8, 13/09594-0)

BELLETI, ELISANGELA; BEVILAQUA, VANESSA R.; BRITO, ADRIANNE M. M.; MODESTO, DIEGO A.; LANFREDI, ALEXANDRE J. C.; VIVIANI, VADIM R.; NANTES-CARDOSO, ISELI L.. Synthesis of bioluminescent gold nanoparticle-luciferase hybrid systems for technological applications. PHOTOCHEMICAL & PHOTOBIOLOGICAL SCIENCES, v. 20, n. 11, OCT 2021. (10/05426-8, 17/02317-2, 15/17688-0)

Patente(s) depositada(s) como resultado deste projeto de pesquisa