Mutantes Saborosos: A Invenção da Ostra Moderna
Inovação genética, na meia concha
Se você bebeu alguma ostras na meia concha neste verão, provavelmente não percebeu que eram monstros. Não monstros no sentido pejorativo, mas criaturas feitas pelo homem — a invenção de um moderno Dr. Frankenstein. Que o Dr. Frankenstein, neste caso, é Standish Allen, atualmente o diretor do Centro de Tecnologia de Genética e Reprodução de Aquicultura da William & Mary's Instituto de Ciências Marinhas da Virgínia . Nas últimas três décadas, as inovações patenteadas de Allen na cultura de ostras transformaram essa indústria antiquada. Seu monstro: um pedaço doce e gordo chamado ostra triplóide.
As ostras naturais, como os humanos e a maioria dos outros eucariotos, são diplóides – cada uma de suas células contém dois conjuntos de cromossomos, um de cada pai. A inovação de Allen foi criar ostras com três conjuntos de cromossomos. O número desigual resulta em uma ostra principalmente infértil que, por não desperdiçar energia produzindo gametas – óvulos e espermatozóides – cresce maior e mais rápido do que ostras naturais. Isso significa que eles podem ser colhidos mais cedo, antes de serem afetados por as doenças que devastaram populações naturais de ostras em lugares como a Baía de Chesapeake e os estuários da Normandia.
Mas a maior vantagem é que esses triplóides são gordos e comercializáveis o ano todo, mesmo durante os meses quentes de verão, quando as ostras naturais tendem a ser desagradáveis, seja porque seus corpos são compostos principalmente de gônadas, ou porque se tornam finos e aquosos após a desova.
Essas características – rendimentos mais altos e um produto viável de verão – são o motivo pelo qual os triplóides cultivados substituíram em grande parte as ostras colhidas naturalmente nos restaurantes e bares de ostras do país. Embora a maioria das ostras produzidas hoje ainda sejam diplóides, a maior parte delas é descascada e destinada à fábrica de conservas de sopa ou algum outro produto de ostras processado. Isso é especialmente verdadeiro para as ostras colhidas na natureza, que tendem a crescer em aglomerados e ser deformadas. O lucrativo comércio de ostras na meia concha exposta aos frequentadores do restaurante, no entanto, pertence cada vez mais aos triplóides gordos e belamente moldados de Allen.
E, surpreendentemente, ele os inventou duas vezes.
Paletes de sementes de ostra em Samish Bay (Taylor Shellfish)
A primeira vez que Allen inventou as ostras triplóides foi no final da década de 1970, quando ainda era estudante de mestrado no Centro Marinho Ira Darling da Universidade do Maine. A ideia, na época, era desenvolver produtos que reforçassem a então nascente indústria de aquicultura do Maine.
Foi muito cedo na minha carreira na pós-graduação, diz Allen. Eu estava trabalhando com salmão, tentando fazer basicamente a mesma coisa com salmão que fizemos mais tarde com ostras – fazer triplóides.
Isso porque a triploidia induzida já havia se mostrado eficaz em aumentar os rendimentos em outros organismos.
A poliploidia – com mais de dois conjuntos de cromossomos – é relativamente rara em animais, em grande parte restrita a invertebrados e alguns anfíbios e peixes. Em humanos, por exemplo, a poliploidia é uma condição geralmente fatal (embora algumas células somáticas especializadas, como o músculo cardíaco e o músculo liso que revestem nossas artérias, às vezes sejam poliplóides). Por outro lado, muitas plantas, como mirtilos e algumas sequoias, são naturalmente poliplóides, e a hibridização agrícola induziu poliploidia em muitas outras.
De fato, as características de algumas das culturas mais importantes do mundo podem derivar do fato de que diferentes variedades podem ter diferentes números de cromossomos. O exemplo mais famoso é o trigo. O trigo Einkorn, uma das variedades mais antigas, é uma planta diplóide normal, enquanto o trigo duro, ou trigo macarrão, é tetraplóide, e o trigo comum, ou trigo para pão, é hexaplóide. Os botânicos induzem a poliploidia nas plantas para produzir muitas variedades de frutas sem sementes, como bananas, uvas e melancia. A poliploidia também frequentemente aumenta o rendimento.
Nas plantas, diz Allen, o benefício da poliploidia é geralmente uma planta ou fruto maior. À medida que o conteúdo de DNA da célula aumenta, o mesmo acontece com o tamanho da célula. Portanto, você obtém o que eles chamam de 'gigantismo poliplóide'. Os mirtilos triplóides, por exemplo, são cerca de duas vezes maiores que os mirtilos normais.
Assim, Allen esperava obter um efeito semelhante na produção de salmão. Uma taxa de crescimento mais rápida também facilitaria a criação de salmão nas águas frias do Maine. Para fazer isso, os triplóides pareciam uma abordagem promissora.
Uma maneira comum de induzir poliploidia em plantas é tratar as pontas de crescimento da planta com uma toxina chamada citocalasina, então Allen começou a aplicar o produto químico nos ovos fertilizados de seus peixes. Mas não saiu como planejado. O produto químico não funcionou tão bem no salmão, diz ele, então decidimos experimentá-lo em ostras. Funcionou.
Triplóides e diplóides lado a lado (L. Degremont)
Para entender como funcionou, teremos que ter uma versão simplificada da conversa sobre sexo.
Vamos começar apontando que os triplóides de Allen não são o que normalmente chamaríamos de organismos geneticamente modificados. Ele não insere material genético – muito menos genes de outra espécie – em suas ostras. Em vez disso, ele simplesmente manipula a mecânica básica do sexo da ostra.
A reprodução sexuada, despojada de seus elementos mais românticos e lascivos, trata essencialmente de misturar e combinar material genético, um processo que acontece imediatamente antes e durante a fertilização. Como você provavelmente se lembra da biologia do ensino médio, tudo isso faz parte de uma intrincada dança intracelular chamada meiose. Allen apenas muda os passos.
Meiose natural ocorre em vários estágios altamente coreografados, cada um dos quais acontece em rápida sucessão. No primeiro estágio, mesmo antes do início técnico da meiose, o material genético dentro das células germinativas – as células que eventualmente se desenvolvem em óvulos ou espermatozóides – é duplicado. Em seguida, os cromossomos correspondentes fornecidos pelo pai e pela mãe desse organismo são trocados e montados no que são essencialmente quatro novos e únicos conjuntos de cromossomos (tecnicamente, dois pares de cromátides). a célula, permitindo que a célula se divida em duas células filhas diplóides. Essa divisão é chamada de meiose 1.
Essas células filhas se dividem novamente - desta vez sem a segregação de material genético - produzindo quatro células, cada uma agora com um único conjunto de cromossomos. Isso é chamado de meiose 2. Na maioria dos organismos, cada uma dessas chamadas células haploides agora é um gameta, um óvulo ou espermatozóide. A fertilização, a fusão de um óvulo haplóide e um espermatozóide haplóide, cria um zigoto diplóide. Por meio da mitose — a outra forma de divisão celular que o confundiu nas aulas de biologia — esse zigoto eventualmente se desenvolve em uma ostra, um ser humano ou uma planta. Desta forma, a meiose normalmente começa e termina com diplóides.
As fases da mitose. ( Senhora dos Chapéus )
A substância química que Allen estava aplicando ao salmão e depois às ostras, a citocalasina, causa um curto-circuito na meiose, impedindo a redução dos cromossomos nas células filhas durante a meiose 2. Isso cria óvulos e espermatozóides diplóides, em vez de haploides. O momento e a dosagem da citocalasina devem ser perfeitamente controlados, mas o resultado, quando um óvulo diplóide é fertilizado por um espermatozóide haplóide, é uma ostra triplóide. Foi em 1979 quando Allen, trabalhando em seu microscópio no Ira Darling Marine Center, contou pela primeira vez três cromossomos em um de seus gametas de ostra. Assim começou uma nova época na criação de ostras.
Ironicamente, porém, Maine não estava pronto para a descoberta de Allen.
Uma descoberta, diz Allen, só é realmente bem-sucedida se houver uma prova real de conceito no mundo real. Mas no Maine, e na Costa Leste em geral, a maior parte da indústria de ostras ainda estava focada na colheita de ostras selvagens. A indústria ainda não havia desenvolvido a grande infraestrutura de incubação e reprodução necessária para fazer a produção triploide funcionar em escala comercial. Mas enquanto Maine não estava pronto, havia outro mercado de ostras que estava. No noroeste do Pacífico, eles já tinham tudo isso em vigor. Eles tinham uma indústria em grande escala que produzia milhões e milhões de ostras por ano.
Assim, para seu Ph.D., Allen mudou-se para a Universidade de Washington, onde trabalhou para aperfeiçoar seu processo triplóide químico nos grandes incubatórios da Costa Oeste. Ele não se preocupou em patentear as técnicas químicas que desenvolveu na Universidade do Maine, mas seus novos parceiros da indústria na Costa Oeste estavam ansiosos para proteger a propriedade intelectual por trás do triplóide. O pedido de patente de Allen foi recusado, no entanto, por causa de seu trabalho publicado anteriormente, o que significava que a tecnologia já estava em domínio público. É apenas mais uma ironia na história que, embora Allen não tenha empregado a engenharia genética para criar seu triplóide, seu caso estabeleceu um importante precedente que permitiu o patenteamento de animais geneticamente modificados e inaugurou a era das patentes de OGM.
Allen acabou por receber algumas patentes importantes no processo triplóide. Seu primeiro foi, na verdade, para uma nova técnica que usa injeções de pressão hidrostática ou água fria em vez de citocalasina para interromper a meiose. No final da década de 1980, o uso de triplóides já era difundido entre os produtores de ostras da Costa Oeste. Você pode pensar no final dos anos 1980 até o final dos anos 1990 como a “era triplóide química”, diz Allen.
Mas o fim dessa era química já estava à vista. Em primeiro lugar, o uso de citocalasina sempre foi um processo complicado em um ambiente de incubação. Mesmo em um laboratório, às vezes era um acerto ou um erro, mas em escala industrial, a taxa de sobrevivência de triplóides viáveis era relativamente baixa. Mais importante, a Food and Drug Administration começou a pressionar a indústria sobre o uso de uma toxina como a citocalasina. Em 1989, quando Allen terminou a pós-graduação e conseguiu um emprego no Haskins Shellfish Research Laboratory na Rutgers University, ele já estava procurando uma nova abordagem para o triplóide.
A solução era diabolicamente elegante: tetraplóides - ostras com quatro conjuntos de cromossomos. A chave para essa ideia era que um tetraplóide, por ter um número par de cromossomos, seria fértil. Se você cruzar uma ostra tetraplóide com uma ostra diplóide regular, poderá produzir um triplóide infértil sem o uso de produtos químicos tóxicos. Foi brilhante.
Ostras crescendo em uma praia em Totten Inlet (Taylor Shellfish)
Mas Allen é rápido em apontar que ele não foi o único que ajudou a ter essa ideia.
verdadeiro motivo do colégio eleitoral
Em primeiro lugar, ele diz, é importante dar crédito ao meu co-pesquisador, Ximing Guo, cujo nome está à frente do meu neste artigo. Ele é um verdadeiro pesquisador científico; Sou apenas um biólogo de balde à moda antiga.
Acontece que Guo, um estudante de pós-graduação da China, a capital mundial da aquicultura, estava na Universidade de Washington ao mesmo tempo em que Allen estava aumentando a produção química de triplóides na Costa Oeste. Nós nos sobrepomos por alguns anos, diz Allen. Ele sempre foi quieto e recatado, mas estava trabalhando com bastante confiança em uma maneira de fazer tetraploides. Assim que Guo terminou seu pós-doutorado em Seattle, Allen o atraiu para seu laboratório em Rutgers e eles começaram a trabalhar no tetraplóide.
O método de Guo era basicamente uma elaboração da abordagem da citocalasina, só que ele estava tentando espremer dois conjuntos extras de cromossomos em um espermatozoide diploide normal. Depois de criar o tetraplóide, você poderia cruzar essa ostra com diplóides para produzir triplóides sem o uso de produtos químicos. Esta é a tecnologia por trás da melancia sem sementes.
Mas não foi fácil. Usando esses vários métodos, ele conseguiu fazer embriões tetraplóides a partir de óvulos normais, mas eles nunca foram viáveis, disse Allen. O problema era que os núcleos das células diplóides com as quais Guo começou eram pequenos demais para acomodar quatro conjuntos de cromossomos. O insight de Allen foi perguntar: e se começarmos com uma célula triploide maior?
A natureza, ao que parece, está cheia de exceções. Mesmo que quase todos os triplóides sejam inférteis, de vez em quando você encontra um que realmente pode gerar. Então, Allen e Guo e o resto do laboratório começaram a busca por triplóides férteis.
Benoit Eudeline, diretor de pesquisa da Taylor Marisco , uma das maiores operações de incubação de ostras do país, é ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Allen. Ele se lembra dos primeiros dias da pesquisa tetraplóide.
Quando eu estava fazendo meu doutorado, tive que abrir centenas, senão milhares de ostras para encontrar um único triplóide fértil, diz ele.
No final, porém, a estratégia de Allen funcionou. Alguns triplóides grandes e férteis foram encontrados, e Guo conseguiu fazer sua mágica neles e espremer os dois cromossomos extras em seus espermatozóides. E, mais uma vez, chegou o dia em que Allen e Guo puderam verificar, desta vez com um citômetro de fluxo em vez de um microscópio, que haviam de fato criado uma nova ostra. A era do tetraplóide havia chegado – e as ostras tetraplóides de hoje são todas derivadas de alguns dos poucos triplóides férteis que Allen criou há mais de uma década.
Desta vez, Allen estava pronto. Ele se certificou de que ele e Guo patente no tetraplóide (embora, por serem funcionários da universidade, a patente tecnicamente foi para a Rutgers). Tão importante quanto isso, ele e Guo criaram uma empresa, apropriadamente chamada 4-Cs Breeding Technology, para espalhar o evangelho tetraplóide. A ideia era licenciar a tecnologia para selecionar incubatórios ao redor do mundo. Esses incubatórios, por sua vez, podem usar os tetraplóides para produzir triplóides para os produtores de ostras do mundo. No momento, incubatórios comerciais na Austrália e na França têm licença para produzir tetraplóides; mas a maior parte dos incubatórios tetraplóides estão nos EUA, principalmente ao longo da Costa Leste e da Costa do Golfo. Os maiores produtores, no entanto, ainda estão na Costa Oeste, incluindo o incubatório Taylor Shellfish, administrado por Eudeline.
Curiosamente, apesar de todos os benefícios dos triplóides e da produção melhorada devido à nova tecnologia tetraplóide, Eudeline acha que a produção de triplóides atingiu um pico, pelo menos para os produtores da Costa Oeste. A razão, diz ele, é que os triplóides podem ser complicados para crescer. Embora eles certamente cumpram seu hype como um produto de verão, eles nem sempre crescem mais rápido do que seus concorrentes diplóides.
Depende da localização, diz Eudeline. Com a combinação certa de temperatura, salinidade e nutrientes, o triplóide supera o diplóide. Em outros casos, o diplóide se sustenta também, ou melhor. Como consequência, diz ele, é improvável que Taylor vá totalmente para os triplóides, que representam pouco mais de 50% de sua produção. Mas ele acrescenta que parte da razão pela qual Taylor ainda produz tantos diplóides é simplesmente por causa de como Taylor opera.
Temos um monte de pequenas fazendas - dezenas de fazendas de 5 acres, 10 acres, 20 acres - e cada uma tem suas próprias características. Se fôssemos apenas um grande produtor, acho que provavelmente seríamos todos triplóides. É mais fácil ter toda a fazenda como triplóides e não ter que alternar entre diplóides e triplóides.
Colheita de ostras em Samish Bay (Taylor Shellfish)
Mesmo agora, é instrutivo lembrar que a Taylor Shellfish produz centenas de milhões de ostras por ano. Cerca de metade deles são triplóides derivados dos tetraplóides de Allen. Também vale a pena notar que outros grandes produtores de ostras da Costa Oeste ainda cultivam triplóides usando as técnicas patenteadas anteriores de Allen: injeções de pressão ou injeções frias.
De certa forma, a capital do mundo tetraplóide/triplóide mudou-se para a Baía de Chesapeake. Em parte, isso ocorre porque, em 1998, Allen mudou seu laboratório para o local atual no Instituto de Ciências Marinhas da Virgínia em William & Mary. Mais uma vez, há um toque de ironia aqui, porque na época a indústria em Chesapeake, como no Maine, era muito antiquada e não tinha uma tradição de incubação. Mas o Chesapeake tinha uma coisa que tornava plausível a transição para triplóides: a população de ostras selvagens havia sido quase aniquilada por uma combinação de colheita excessiva, poluição e, especialmente, doenças.
Esta foi uma crise ecológica para o Chesapeake, mas provou ser uma oportunidade decisiva para o crescimento da tecnologia tetraplóide/triplóide de Allen. Diante da perda da ostra nativa do leste, Crassostrea virginica, em 2003, o Departamento de Recursos Naturais de Maryland e a Comissão de Recursos Marinhos da Virgínia propuseram trazer uma não nativa, Crassostrea ariakensis, para substituí-la.
Isso causou todo tipo de merda, diz Allen, enquanto várias organizações ambientais e governamentais entraram em conflito com a indústria sobre o potencial de introdução de uma nova espécie invasora na baía. Mas também deu origem a cinco ou seis anos de pesquisa para saber se essa era uma boa ideia ou não.
A questão, claro, era como testar a viabilidade e a produtividade relativa do ariakensis sem introduzir o não-nativo no ecossistema. A resposta, diz Allen, foi o triplóide principalmente infértil. Fomos obrigados a fazer ariakensis triploides para testá-los; e, como controle, tivemos que fazer e testar triplóides da virginica nativa. Isso nos colocou no caminho certo, com dinheiro para pesquisa, e a incidência da aquicultura em Chesapeake cresceu tremendamente.
No final, observa Allen, a resposta à pergunta do ariakensis foi não. Mas no processo de teste, as sementes para uma indústria de produção triploide baseada em aquicultura estavam agora bem estabelecidas. O ariakensis realmente se saiu um pouco melhor do que o virginica, mas o perdedor ainda era muito bom. Isso convenceu muitas pessoas de que você poderia realmente controlar ostras e ganhar algum dinheiro com isso.
Hoje, é claro, a maioria das ostras de meia concha que vêm de Chesapeake provavelmente são criadas em uma cesta em vez de serem raspadas do fundo. E quase 90% deles são provavelmente triplóides. A tecnologia tetraplóide/triplóide é claramente um sucesso comercial e acadêmico. O que destaca mais algumas ironias: agora, assim como o uso crescente de tetraploides representa um potencial ganho inesperado, a patente deve se esgotar ainda este ano. Além disso, tanto Allen quanto Guo, como pesquisadores que aconselham agências governamentais sobre política de ostras, tiveram que alienar suas ações nos 4Cs para evitar um conflito de interesses.
Mas Allen acredita que o futuro da pesquisa triploide é brilhante. Como ambos os pais são férteis, eles podem ser melhorados por meio de reprodução seletiva normal. Isso significa que deve ser possível para futuros pesquisadores criar variedades triplóides para se adequar a nichos climáticos e ambientais muito específicos. Isso pode ser crítico, especialmente na Costa Oeste, onde a indústria está sob pressão das mudanças climáticas e da resultante acidificação dos oceanos. E, como foi demonstrado com algumas das variedades de Chesapeake Bay de Allen, também deve ser possível reproduzir para resistência a doenças.
Isso é muito para um velho biólogo de balde esperar.
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