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As pragas também morrem pela boca

Apoiados no conhecimento sobre a digestão dos insetos, pesquisadores criam plantas transgênicas que resistem ao ataque de espécies indesejadas e reduzem as perdas da produção de alimentos, sem danos ao ambiente

02Não são só os peixes que morrem pela boca. Os insetos também – e pelo mesmo alimento que não param de consumir. De cada 10 quilogramas de arroz que poderiam ser colhidos, os insetos comem quase três. A cada ano, devoram aproximadamente 11 milhões de toneladas (ou 13%) da produção agrícola nacional. Para conter as perdas, os agricultores aplicam cerca de 20 mil toneladas de inseticidas, que deixam resíduos nas plantas, no solo, nos rios e no próprio alimento. Mas não precisa ser assim. Outra solução é conhecer os mecanismos de digestão dos insetos de forma a interferir em sua alimentação. Uma alternativa mais ecológica e econômica.

Os caminhos que viabilizam essa abordagem foram abertos com os estudos conduzidos pelo bioquímico Walter Ribeiro Terra, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP). Suas descobertas permitem agora o desenvolvimento de plantas mais resistentes ao ataque dos gafanhotos, lagartas, moscas, besouros, percevejos e pulgões. O princípio dispensa produtos químicos que contaminam o ambiente: as próprias plantas, recebendo genes de outra espécie, tornam-se aptas a produzir mais intensamente os inibidores de enzimas digestivas, substâncias que bloqueiam a digestão dos insetos, sobretudo as pragas agrícolas, que assim morrem de inanição.

O exemplo mais eloqüente desse enfoque é a cana-de-açúcar transgênica, desenvolvida na Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (Esalq) da USP, em Piracicaba. Para se tornar resistente a uma das mais terríveis pragas dessa cultura, a broca-da-cana (Diatraea saccharalis ), a planta recebeu dois genes originários de duas espécies de soja, que produzem os chamados inibidores de proteases (enzimas que digerem proteínas). Com amplo campo de ação, essas substâncias funcionam de modo semelhante aos anticorpos e bloqueiam o metabolismo dos animais herbívoros. Detalhe: os genes que induzem a produção desses inseticidas naturais devem ser buscados em espécies distantes porque os inibidores produzidos naturalmente pelos vegetais perdem a eficácia diante dos mecanismos de adaptação aperfeiçoados pelos insetos.

Em um dos cantos do laboratório de Biologia Molecular de Plantas, sob os olhares atentos da equipe do biólogo molecular Márcio de Castro Silva-Filho, crescem amostras de cana resistente à infestação pela broca. As plantas mais antigas ganham espaço lá fora, numa estufa, e em breve devem receber as primeiras larvas que vão testar sua eficiência em condições mais próximas da realidade. Silva-Filho acredita que os resultados finais serão ainda superiores aos já obtidos, pois em laboratório as lagartas encontram alimento o tempo todo e vivem sem predadores. Para explicar o que já conseguiu, Silva-Filho mostra dois tubos de ensaio tomados por lagartas da broca-da-cana, que fazem parte de um dos experimentos de sua equipe.

Um dos tubos está quase inteiramente ocupado pelas larvas, alimentadas durante 26 dias com uma dieta artificial, sem qualquer modificação. No outro há bem menos lagartas, que cresceram e se reproduziram mais lentamente porque consumiram uma dieta com os inibidores provenientes da soja. A pesquisa da cana com os genes da soja é a mais adiantada e promissora no estudo de melhoramento de plantas que Silva-Filho desenvolve na Esalq. Desde 1997 ele trabalha no projeto Caracterização Bioquímica, Entomológica e Molecular da Interação entre Inibidores de Proteinases Digestivas e Insetos da Ordem Lepidoptera, com financiamento de R$ 156,8 mil, mais US$ 121,2 mil, da FAPESP. Antes da cana, havia feito pesquisas semelhantes com fumo e milho, mas os resultados não foram satisfatórios: as pragas se mostraram resistentes aos inibidores testados.

Na Esalq, Silva-Filho monta os genes e testa a nova cana em conjunto com o entomologista José Roberto Postali Parra, o formulador das dietas especiais oferecidas às lagartas. Para montar os experimentos e interpretar os resultados, ambos entram em contato com Terra, reconhecido recentemente como um dos cientistas brasileiros mais citados na Web of Science, o banco de artigos científicos organizado pelo Institute for Scientific Information (ISI) (ver Pesquisa Fapesp nº 52). “Por meio dessas parcerias, integramos uma área básica, que trata da caracterização das enzimas de insetos, e a pesquisa entomológica, com o uso dos inibidores em dietas artificiais, para só depois iniciar os experimentos de biologia molecular, clonando genes e obtendo as plantas transgênicas”, explica Silva-Filho.

Juntos, os especialistas procuram desatar um dos nós desse trabalho – os complexos mecanismos de interação entre os insetos e as plantas. Já descobriram como um inseto escolhe uma plantacomo hospedeira. É um processo que envolve a síntese de enzimas insensíveis à ação de inibidores produzidos pela planta hospedeira e apenas parece intencional, pois resulta de mecanismos simultâneos de adaptação dos animais e dos vegetais. Os pesquisadores observaram também que alguns insetos, como a lagarta-do-cartucho-do-milho (Spodoptera frugiperda) e a lagarta-da-maçã-do-algodoeiro (Heliothis virescens), conseguem ter várias plantas como hospedeiras porque são capazes de alterar sua produção de enzimas de acordo com o alimento que ingerem. E mais: as novas proteases secretadas em reação ao inibidor são ainda mais eficientes para degradar as proteínas das plantas.

Diante dessas artimanhas, podem ser considerados animadores, ainda que à primeira vista pareçam modestos, os resultados obtidos com a cana transgênica. Os inibidores produzidos a partir dos genes de soja provocaram uma deficiência protéica que atrasou, de modo acentuado, o desenvolvimento da Diatraea. O tempo de duração da fase larval aumentou 30% e o da etapa pupal, 10%. Houve também um acréscimo de 25% na mortalidade, que deve repercutir nas taxas de reprodução. Segundo Parra, ocorreu um aumento de 20% no ciclo total de desenvolvimento da broca, que passou de cerca de 60 para 72 dias, até a fase adulta.

“Não queremos acabar com os insetos”, ressalta Silva-Filho. O extermínio total é uma técnica muito drástica, tal qual os inseticidas químicos, que levaria rapidamente à formação de gerações cada vez mais resistentes a qualquer intervenção humana. “Nosso objetivo é controlar a proliferação das pragas e retardar ao máximo o processo de resistência, que já ocorre com algumas plantas transgênicas”, diz ele. Pesquisadores ingleses da Universidade de Durham, no Reino Unido, mostraram em 1987 que esse objetivo é viável, ao modificarem geneticamente uma variedade de tabaco. Colocaram na planta genes do feijão-de-corda (Vigna ungiculata), que atrapalharam a digestão e o crescimento das lagartas Heliothis virescens.

Terra acha que é possível chegar, mesmo, a drogas capazes de interferir no mecanismo de digestão dos insetos e que sejam inofensivas a outros seres vivos. Isolando e comparando enzimas – às vezes bastante semelhantes às de outros organismos, como a amilase e a tripsina, produzidas pelo pâncreas humano -, ele e a bioquímica Clélia Ferreira verificaram que alguns insetos – como os da ordem Lepidoptera, que inclui as mariposas e as borboletas, e os Coleoptera, com os besouros – apresentam mecanismos muitos particulares de secreção das enzimas. As diferenças entre os processos digestivos de uma borboleta e de um percevejo, por exemplo, podem ser maiores do que as de um peixe em comparação com o homem. Em termos quantitativos, os insetos produzem um número de enzimas próximo ao liberado pelo organismo humano – ao redor de 14, das quais a equipe da USP caracterizou 12, em diferentes espécies.

O conhecimento sobre quantas, como e quando as enzimas são formadas e atuam em cada reduto do aparelho digestivo dos insetos tem dado indicações claras do que pode ou não funcionar no ataque a eles. Uma informação relevante se refere às peculiaridades de um tubo de paredes finíssimas e porosas, a membrana peritrófica, que se assemelha aos filmes plásticos utilizados para guardar alimentos na geladeira. Nesse compartimento os alimentos começam a ser fragmentados, sob a ação de enzimas, antes de chegar às células nas quais os nutrientes são absorvidos.

A equipe de Terra verificou que os poros da membrana peritrófica têm de sete a oito nanômetros (um nanômetro corresponde à milésima parte do milímetro). “Conhecendo o tamanho dos poros da membrana peritrófica, vemos que algumas substâncias podem não ter o efeito tóxico desejado caso sejam grandes demais para serem absorvidas pelos insetos”, afirma Terra. Essa constatação explica, por exemplo, por que os cristais da toxina da Bacillus thuringiensis, umas das bactérias mais importantes para o controle de diversas espécies de lagarta, são efetivos somente se diminuírem de tamanho, depois de parcialmente digeridos no interior da membrana peritrófica. Quando essa digestão parcial não ocorre – e as enzimas de alguns insetos são incapazes de realizar essa quebra -, a toxina não tem qualquer efeito.

Nos anos 60, reinavam os defensivos agrícolas, que ninguém contestava, quando Terra começou a mexer nesse campo. Se no início pouca gente levava a sério a abordagem que dizia respeito puramente à biologia dos insetos, agora é diferente. O trabalho de que Terra cuidou, silenciosamente, ao longo desse tempo, torna-se mais estratégico à medida que crescem as pressões para a preservação ambiental e a busca de alternativas aos produtos químicos. Os Estados Unidos, por exemplo, acabam de proibir o uso de um defensivo bastante utilizado, à base de clorpirifós, uma matéria-prima empregada também no Brasil, por oferecer riscos ao sistema nervoso de crianças.

Agora, tanto as motivações quanto as dificuldades estão razoavelmente claras. Nas experiências como as realizadas com a cana, o mais complicado não é identificar os genes úteis para compor novas variedades de plantas, mas indicar as proteínas mais adequadas para se tornar alvo dos compostos produzidos pelas plantas. E só se pode chegar a essa clareza por meio do conhecimento profundo da fisiologia dos insetos, que também revela a durabilidade dos produtos no tubo digestivo desses animais.

O trabalho com as lagartas da broca-da-cana está correndo a contento, mas Terra já contou que não basta descobrir bloqueadores de enzimas para tudo se resolver. Os insetos, como ele demonstrou, possuem um mecanismo de digestão sofisticado e podem secretar enzimas diferentes para digerir um mesmo nutriente. Caso uma das enzimas seja bloqueada por algum inibidor, produzido pela própria planta ou aplicado pelo homem, entram em ação as enzimas substitutas, com a mesma função, mas com propriedades diferentes.

Essa capacidade de driblar os atacantes ainda não foi observada na broca-da-cana. Ficou evidente, porém, nos estudos com a lagarta Heliothis virescens. O inibidor de tripsina de soja, adicionado pela equipe da USP à sua dieta, não foi eficaz simplesmente porque a lagarta produzia novas enzimas que escapavam de seu poder. Terra procura agora fazer com que a lagarta expresse todo o repertório de enzimas, até que possa encontrar um inibidor eficiente para todas elas. “Na hora de adotar uma estratégia de controle de pragas, temos de levar em conta essa sofisticação do sistema digestivo dos insetos”, sugere o pesquisador.

Trabalhos aplicados como o da cana transgênica representam apenas uma parte das pesquisas do Laboratório de Bioquímica de Insetos, financiadas com aproximadamente R$ 600 mil desde 1993 pela FAPESP. O projeto em andamento desde 1998, A Digestão dos Insetos: Uma Abordagem Molecular, Celular, Fisiológica e Evolutiva, conta com R$ 121,6 mil, mais US$ 382 mil e deve terminar em outubro de 2001. Desta vez, procura-se informação principalmente sobre mecanismos de secreção de enzimas e a natureza das moléculas processadas por enzimas-chave da digestão, como tripsinas e glicosidases, que agem sobre carboidratos, uma família de compostos que incluem os amidos, açúcares e celulose.

Terra leva em conta tanto a necessidade de se conhecer melhor as pragas mais comuns no Brasil como a de estabelecer padrões de comparação entre as espécies. Terra comprovou que a organização do sistema digestivo depende mais da posição filogenética do que do hábito alimentar. Ou, de outro modo: o sistema digestivo torna-se mais sofisticado à medida que os insetos se situam em posições mais altas na escala evolutiva. Na prática quanto mais evoluídos, mais vorazes.É algo impressionante. Enquanto um besouro come em média apenas 0,3 vez o seu peso, uma larva da mariposa Erinyis ello chega a comer cerca de 2,4 vezes o seu peso, em apenas um dia. É como se uma pessoa de 75 quilos ingerisse diariamente 180 quilos de alimentos.

“A capacidade de processar uma quantidade elevada de alimento permite que o inseto cresça e se reproduza rapidamente”, conta o pesquisador. Assim, os insetos mais evoluídos podem ter várias gerações por ano e deixar descendentes, assegurando a sobrevivência da espécie, mesmo com uma alta mortalidade. “Só se chega a esses resultados com um sistema digestivo bastante eficiente”, ressalta Terra. A desvantagem, lembra ele, é que os comilões vivem menos. Uma barata, menos evoluída, pode viver até cinco anos, enquanto uma mosca comum vive cerca de seis semanas.

As pesquisas realizadas na USP atestam que há uma correspondência entre os estágios evolutivos e a complexidade dos processos digestivos dos insetos. Os mais primitivos, como os gafanhotos (ordem Orthoptera), possuem formas jovens e adultas muito semelhantes, que competem pelo alimento. Apresentam um sistema digestivo mais simples, concentrando todas as enzimas digestivas no mesmo compartimento.

Nos insetos mais evoluídos, a exemplo das borboletas e mariposas (Lepidoptera) e moscas (Diptera), a forma jovem, ou seja, a larva, é muito diferente da forma adulta alada. Em cada fase, vivem em ambientes distintos e não competem pelo alimento. Sua digestão é bem compartimentada, e somente as enzimas responsáveis pelo ataque inicial ao alimento, como a amilase e as tripsinas, penetram no interior da membrana peritrófica. Outras enzimas, que continuam o processamento do alimento agindo sobre moléculas de tamanho menor, atuam no fluido compreendido entre a membrana peritrófica e as células intestinais. Há ainda um terceiro grupo, o das enzimas encontradas na superfície das células, que finalizam a digestão produzindo compostos que podem ser prontamente absorvidos.

A comparação da dinâmica digestiva dos dois grupos, os mais e os menos evoluídos, tem levado a descobertas importantes. Foi assim que Terra notou que as regiões responsáveis pela secreção e absorção de água se alteram, de modo que, nos mais evoluídos, sempre exista um fluxo de fluidos contrário ao fluxo do alimento. “Essa circulação permite uma economia de enzimas, que são recicladas em vez de serem excretadas com as fezes”, comenta. Segundo ele, a ação das enzimas limitada a compartimentos específicos e o contrafluxo de fluidos ampliam a eficiência digestiva e o aproveitamento dos alimentos.

Estudos semelhantes, que buscam alternativas ao uso de inseticidas, atestam a validade do trabalho da equipe da USP. É o caso do controle biológico, que introduz predadores naturais nas plantações atacadas por pragas. No Estado de São Paulo, o uso da mosca Cotesia flavipes no combate à broca-da-cana fez com que as perdas da produção passassem de 11% em 1980 para 2,5% em 1990. Houve, nesse tempo, uma economia de US$ 37,5 milhões na produção de açúcar e álcool, segundo a Cooperativa dos Produtores de Cana, Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo (Copersucar). Mas esse método, assim como os inseticidas, tem suas limitações: as mosquinhas só funcionam quando a lagarta está exposta.

Já as plantas transgênicas prometem atacar o inseto dentro da cana e reduzir ainda mais o índice de perdas, estacionado há uma década. Para Terra, os transgênicos não são apenas mais eficientes do ponto de vista econômico. Oferecem também menos riscos de desequilíbrio ecológico do que os inseticidas. As experiências recentes com a soja, porém, não deixaram uma imagem muito positiva dos transgênicos. Ainda há resistência, mas o professor da USP garante que, a rigor, essas novas plantas não diferem muito dos enxertos, comuns na agricultura, como o milho híbrido, hoje largamente utilizado e bastante diferente das espécies que lhe deram origem.

A cana transgênica que cresce na Esalq, mesmo tudo correndo como se espera, ainda terá de passar por outras provas até chegar ao plantio comercial. Um deles é o teste em larga escala, que depende de uma autorização da Comissão Técnica Nacional de Biossegurança (CTNBio), o órgão governamental que controla o plantio de transgênicos no País. Outro desafio será a substituição dos promotores, regiões do DNA que ativam os genes responsáveis pela expressão dos inibidores. Os testes iniciais valeram-se de promotores que ativam a produção de inibidores em todas as partes da planta e em todos os estágios de desenvolvimento. Os pesquisadores querem ser mais específicos. “A planta, para se comportar como na natureza, deve produzir os inibidores apenas quando sofrer alguma lesão”, comenta Silva-Filho.

Uma das razões pelas quais ele participa do projeto Genoma Cana, financiado pela FAPESP, é exatamente essa: encontrar um promotor mais adequado a suas necessidades, para evitar que uma secreção exagerada do gene interfira em outros processos da planta e no ambiente. Não se trata apenas de um aperfeiçoamento do processo de produção da cana. É uma prioridade. Pretende-se poupar o Brasil dos problemas ocorridos com um milho transgênico plantado em larga escala nos Estados Unidos, que provocou a morte de borboletas monarcas que se alimentaram do pólen do milho. “Estamos levando em conta que o ambiente é um sistema complexo e que, quanto menos interferência provocarmos, melhor”, diz Silva-Filho.

Na visão dos pesquisadores, as novas plantas não provocarão efeitos nocivos sobre outros seres vivos se forem modificadas para afetar mecanismos muito específicos dos insetos, a cada dia compreendidos de modo mais detalhado. “O resultado depende das escolhas”, ressalta Terra. Em outras palavras, o que está por vir depende tanto do bom senso quanto do conhecimento sobre o que e como modificar nos seres vivos. Os estudos em andamento sobre as estruturas das enzimas digestivas e de seus mecanismos de expressão acenam, enfim, com um quadro mais animador, no qual apenas os insetos serão os atingidos na luta por uma produção maior de alimentos.

O maior grupo de espécies animais

Descritos desde a Antiguidade, quanto o termo entomologia foi empregado pela primeira vez por Aristóteles, os insetos representam uma classe, a Insecta, que abriga cerca de 70% de todas as espécies animais, com aproximadamente 1,2 milhão de espécies. Uma forma de lidar com essa diversidade foi selecionar as espécies de acordo com sua posição na árvore evolutiva, já que as diferenças estão relacionadas, justamente, com o estágio evolutivo.

Terra trabalha com 18 espécies, que estão localizadas em pontos estratégicos da árvore evolutiva e representam as principais ordens da classe Insecta. Na escolha pesou também o papel ecológico de cada espécie, de tal forma que, desse total, dois terços são pragas agrícolas – os maiores competidores do homem por alimento. Representam algo em torno de 10% do total de espécies de insetos e chegam a devorar mais da metade de uma plantação.

Nessa composição entra também uma espécie de interesse para pesquisas médicas, por transmitir o protozoário causador da doença de Chagas, enquanto as demais foram incluídas para completar o quadro evolutivo. De modo mais amplo, as espécies selecionadas enquadram-se basicamente em duas categorias, as menos e as mais evoluídas. Entre os insetos estudados com características mais primitivas, com metamorfose incompleta, destaca-se o gafanhoto Abracris flavolineata da ordem Orthoptera, que inclui também os grilos e compreende 2% do total de espécies de insetos.

Também se enquadram nessa categoria os percevejos Rhodnius prolixus, um tipo de barbeiro (Reduviid Bug) que é vetor da doença de Chagas, e o Dysdercus peruvianus, sugador de sementes de algodão, da ordem Hemiptera, com 7% dos insetos, à qual pertencem também as cigarras. Menos primitivos são o besouro Tenebrio molitor, praga de farinhas muito usada como isca por pescadores, e o vagalume Pyrearinus termitilluminans, que se alimenta de outros insetos, ambos da vasta ordem Coleoptera, que abriga 30% dos insetos.

Outros insetos selecionados para estudo são considerados mais evoluídos, como as mariposas Spodoptera frugiperda, cuja lagarta é praga de soja e milho, eErinnyis ello , cuja lagarta ataca a mandioca. Outro ser indesejado pelos agricultores, que faz parte desse grupo e começa a ser combatido com a cana transgênica, é a broca-da-cana-de-açúcar, Diatraea saccharalis. Todos esses insetos pertencem à ordem Lepidoptera, que inclui as mariposas e as borboletas e representa 13% dos insetos.

Também bastante evoluídas são a mosca comum, Musca domestica, e uma mosca próxima do mosquito, Rhynchosciara americana, ambas da ordem Diptera, na qual se encontram 12% dos representantes dessa classe. Outro inseto estudado é uma abelha sem ferrão, Scaptotrigona bipunctata, da ordem Hymenoptera, que abriga as vespas,abelhas e formigas e 25% dos insetos. Essa abelha foi escolhida por sua posição intermediária na árvore evolutiva, entre as moscas e borboletas e os demais insetos.

Perfis 
Walter Ribeiro Terra, 55 anos, formou-se em Ciências Biológicas na Universidade de São Paulo em 1968. Concluiu seu doutorado em Bioquímica em 1972 e livre-docência em 1977, na mesma universidade. É professor titular do Departamento de Bioquímica do Instituto de Química da USP desde 1990.
Clélia Ferreira, 45 anos, concluiu em 1976 a graduação em Ciências Biológicas na USP, na qual também fez o doutorado em Bioquímica, concluído em 1982, e a livre-docência, em 1994. Ingressou no departamento de bioquímica do Instituto de Química da USP em 1985, onde é professora associada desde 1994.
Márcio de Castro Silva Filho, 39 anos, é engenheiro agrônomo, formado pela Universidade Federal de Lavras, MG, onde também concluiu mestrado em Genética e Melhoramentos de Plantas em 1989. Estudou na Bélgica, de onde retornou em 1994 com o título de doutorado em Biologia Molecular de Plantas na University of Louvain. É professor de genética da Escola Superior de Agronomia Luiz de Queiroz (Esalq) da USP desde 1994.

Projetos
1. A Digestão dos Insetos: Uma Abordagem Molecular, Celular, Fisiológica e Evolutiva (02/11938-5); Modalildade: Projeto Temático; Coordenadores: Walter Ribeiro Terra e Clélia Ferreira; Investimento: R$ 121,6 mil e US$ 382 mil
2. Caracterização Bioquímica, Entomológica e Molecular da Interação entre Inibidores de Proteinases Digestivas e Insetos da Ordem Lepidoptera (97/04934-3); Modalidade: Projeto Temático; Coordenador: Márcio de Castro Silva Filho; Investimento: R$ 156.838,45 e US$ 121.201,90

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