Pesquisas testam uso de microalgas para reduzir emissões de dióxido de carbono (CO2)

Projeto da Universidade Federal do Rio Grande do Norte trabalha com o cultivo desses organismos para tratamento da água de produção de petróleo.

Pesquisadores em várias regiões do país buscam alternativas para aproveitar o potencial das microalgas. Além da possibilidade de produção de biodiesel, uma das vertentes consideradas promissoras – em tempos de mudanças climáticas e de previsões de progressivo aquecimento global –, é o cultivo associado a tecnologias que permitam a redução de gases de efeito estufa, diante da capacidade das microalgas de assimilarem o dióxido de carbono (CO2) do ar. Pesquisas da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), por exemplo, trabalham com a reprodução desses organismos em água de produção de petróleo.

“Para nós é um resíduo poluente, mas para as microalgas um ótimo meio para o seu crescimento, o que possibilita gerar energia limpa no processo e contribui para o tratamento e a recuperação da água”, explica a coordenadora do Laboratório de Investigação de Matrizes Vegetais Energéticas, Juliana Lichston, que conduziu o projeto de pesquisa até novembro de 2012.

A pesquisadora conta que a iniciativa faz parte de um projeto mais amplo para produção de biodiesel a partir de microalgas, iniciado em novembro de 2009, que culminou, em abril de 2012, com a inauguração da primeira planta piloto do Brasil, patrocinada pela Petrobras. A planta piloto localiza-se em Extremoz, no Centro Tecnológico de Aquicultura da UFRN, e visa, de forma prática, constatar o potencial de produção de biomassa algal em grande escala e a qualidade do óleo extraído para conversão deste em biodiesel.

“Os resultados obtidos com a pesquisa UFRN-Petrobras são bastante promissores, o desafio é aliar os resultados científicos ao mercado nacional viabilizando a produção industrial biocombustível”, ressalta Juliana. “Essa produção numa escala industrial poderá alavancar a produção nacional de biodiesel apresentando várias vantagens ambientais e econômicas”, reforça.

Alternativa

Para a cientista, os estudos nessa área são de grande relevância, uma vez que esses microrganismos são responsáveis por mais de 50% da fotossíntese do planeta, além de fornecerem muitos produtos de interesse para a economia mundial. Trata-se também, na sua opinião, de uma boa opção para substituir o petróleo. Sem contar que as microalgas têm se apresentado mais produtivas do que as outras oleaginosas e ainda auxiliam na preservação do meio ambiente.

Em relação à produção de óleos, ela explica que as microalgas, em laboratório, chegam a ser 30 vezes mais produtivas que as oleaginosas convencionais como a mamona, girassol, soja e palma. Além disso, a área ocupada na sua produção pode ser mais de 100 vezes inferior à das culturas tradicionais. “São necessários apenas 2.500 hectares [ha]para abastecer uma refinaria de 250 mil toneladas, contra a necessidade de 500 mil ha de soja e de 250 mil ha de girassol para produzir a mesma quantidade de óleo”, compara.

Entre outras vantagens, as microalgas têm a capacidade de assimilar o CO2 do ar, reduzindo a emissão de gases e o efeito estufa para a atmosfera; gastam uma menor quantidade de água; e não competem com outras culturas alimentares, já que não precisam de terra fértil e podem ser cultivadas sobre áreas improdutivas.

Apesar de todas essas vantagens, a pesquisa visando à produção de óleo para biodiesel tem dois grandes desafios: comprovar a potencialidade e a economia da produção em larga escala e encontrar outras espécies que produzam grandes quantidades de óleo.

“O que se espera para os próximos anos é um crescente investimento nas pesquisas científicas com microalgas para aprimoramento de tecnologia e descoberta de novas espécies produtoras de óleo”, destaca a pesquisadora, que defende o uso dessa biomassa como uma opção a mais e não como uma proposta de substituição às plantas.

Potencial brasileiro

Ela defende o maior aproveitamento do potencial brasileiro quanto à diversidade de espécies e usos possíveis. “Certamente o Brasil tem potencial para ser o maior produtor de microalgas do mundo. Temos clima favorável, grande biodiversidade, áreas disponíveis para cultivos em larga escala e corpo técnico em franco desenvolvimento”, afirma.

Entre os exemplos de microalgas que podem ser utilizadas para a produção do biocombustível estão Spirulina sp, Chlorella sp, Synechoccus sp, Dunaliella sp e Chlamydomonas sp, boa parte delas encontradas no Rio Grande do Norte e no Nordeste brasileiro. Tal região do país possui uma grande vantagem com relação a outras, que é a alta incidência de raios solares durante todo o ano, um dos requisitos para o desenvolvimento acelerado dessas microalgas.

Juliana Lichston destaca como relevantes iniciativas de fomento como as realizadas pelo Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTI), da ordem de R$ 26 milhões nos últimos anos, voltados à pesquisa, desenvolvimento e inovação para a produção e uso de biodiesel derivado de microalgas. “Isso tem importância sem precedentes na história do nosso país”, avalia.

Recursos da pasta em parceria com a UFRN viabilizaram, ainda, em 2009 e em 2012, a realização do 1º e do 2º Simpósio Brasileiro do Potencial Energético das Microalgas, coordenados pela professora. “Os dois eventos reuniram diversos pesquisadores e estudantes de graduação e pós-graduação do país, com o surgimento de várias parcerias científicas”, destaca.

Fonte: MCTI

Publicado no Portal EcoDebate, 09/01/2015

Microalgas transformadas

Membrana que filtra meio de cultura permite selecionar biomassa com proteínas, ácidos graxos ou carboidratos (ilustração:Elisa Carareto)

11/09/2014

Por Dinorah Ereno

Revista Pesquisa FAPESP – Um grande tanque de vidro transparente para cultivo de microalgas ao ar livre, chamado fotobiorreator, foi concebido e desenvolvido por uma equipe multidisciplinar composta por pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e da Universidade de São Paulo (USP).

Entre as inovações, o fotobiorreator possui uma membrana porosa utilizada para filtrar o meio de cultura que serve como alimento para as células da alga Chlorella vulgaris – composto por substâncias como nitrato de sódio, fosfato, potássio, micronutrientes, sulfato e outros elementos inorgânicos.

Essa membrana permite, pela escolha da microalga e da composição nutricional, selecionar o tipo de biomassa que será obtido no final do processo: proteínas para ração animal, ácidos graxos essenciais, como ômega 3, para aplicação nas indústrias alimentícia e farmacêutica, carboidratos usados na síntese de plásticos ou fertilizantes.

“Por meio de manipulação bioquímica em microalgas, podemos obter biomoléculas de acordo com a necessidade de matéria-prima das empresas”, diz a professora Ana Teresa Lombardi, do Centro de Ciências Biológicas e da Saúde da UFSCar e coordenadora do projeto na modalidade Programa de Apoio à Pesquisa em Parceria para Inovação Tecnológica (PITE) que faz parte de um acordo de cooperação da FAPESP com a Braskem.

“Dentre as várias aplicações possíveis, um resultado interessante e promissor que obtivemos foi a peletização [recobrimento] de sementes de plantas nativas do cerrado com a biomassa algal, que poderão ser utilizadas em reflorestamento”, relata Lombardi.

A pesquisa foi tema de uma dissertação de mestrado, já defendida. “Essas sementes envoltas em biomassa e mucilagem algal conseguem aproveitar melhor a água de chuva, pela maior retenção, o que resultaria em menor mortalidade de sementes plantadas no campo”, ressalta.

A pesquisadora explica que, no processo de cultivo de algas, é preciso um fluxo contínuo para a entrada de nutrientes frescos. Só que em alguns momentos há um extravasamento desse fluxo e é preciso retirar o meio de cultura usado. “No biorreator padrão, quando esse meio velho é removido, há perda de células, ou seja, é como se tudo tivesse sido lavado.”

Como a membrana tem poros extremamente pequenos, os nutrientes utilizados só saem depois de passar pelo processo de filtragem. Dessa forma, além da possibilidade de reúso do meio, é possível escolher a densidade de células que ficará no tanque e o meio de cultura que entrará no reator pelo fluxo contínuo.

“As algas se adaptam rapidamente a mudanças nos nutrientes porque passam por uma transformação intracelular”, diz Ana Teresa. Ou seja, elas conseguem fazer uma modificação na sua composição bioquímica dependendo do ambiente em que vivem. “Transformamos esse atributo microbiológico das algas em um processo tecnológico”, ressalta a pesquisadora.

Leia a reportagem completa em: http://revistapesquisa.fapesp.br/2014/08/21/microalgas-transformadas/ 

Link:

http://www.agencia.fapesp.br/19793

Professores não identificam todas as diferenças entre alunos

Por Fernando Pivetti - fernando.pivetti@usp.br

Publicado em 4/abril/2014

Dentro do contexto escolar, os professores têm dificuldades de enxergar as diferenças existentes entre os alunos em uma sala de aula. Uma pesquisa da Faculdade de Educação (FE) da USP aponta que a maioria dos educadores não conseguem desenvolver projetos de ensino eficientes, e que contemplem a todos os estudantes, devido à falta de métodos de aprendizado e recursos pedagógicos.

Segundo dados da dissertação de mestrado da bióloga Miriam Brito Guimarães, a carência de estratégias dentro da sala de aula é uma das principais causas de desconforto e insegurança dos professores.

No estudo, foram entrevistadas 31 professoras da rede pública de ensino

No estudo, foram entrevistadas 31 professoras da rede pública de ensino, e que trabalham com os anos iniciais da alfabetização de crianças, o chamado Ensino Fundamental 1 (do primeiro ao quarto ano). As educadoras trabalham em três escolas da periferia da cidade de São Paulo. Segundo a pesquisadora, a escolha da periferia leva em consideração o grande impacto do professor em promover a educação dentro das classes mais pobres. “Nesse meio, as escolas tem grande potencial de transformação das pessoas.”

As entrevistas realizadas com as professoras eram escritas e utilizavam dois contextos. O primeiro buscava realizar um levantamento sobre como o professor enxergava a sua própria sala de aula, e o outro contexto buscava promover um debate sobre um caso de heterogeneidade dentro de uma classe e a maneira como o professor lida com essa demanda.

Os dados apurados pela pesquisa apontaram que cerca de 60% das professoras caracterizaram a heterogeneidade dos alunos apenas enquanto diferenças nos níveis de aprendizado apresentados por eles. Outros 24% focaram as diferenças a partir das deficiências dos alunos, como transtornos de atenção, hiperatividade e outros casos, com ênfase nos aspectos negativos que esses comportamentos trazem para a sala de aula. Apenas 16% das professoras que participaram do estudo justificavam a classe heterogênea a partir das diferenças de personalidade, de história e de vivência das crianças, observando com naturalidade as riquezas desse fenômeno.

Na segunda etapa do estudo, as professoras participantes avaliaram um contexto de sala aula em que os alunos possuíam diferentes origens, religiosidades e gêneros. “É interessante notar que, nesse momento, as professoras identificavam a real heterogeneidade entre os alunos e reconheciam, no exemplo dado, a sua turma”, aponta Miriam.

Dificuldades e estratégias

As análises realizadas pelos participantes apontaram que a principal dificuldade dos professores frente às diferenças dos alunos é a carência de recursos pedagógicos, revelando uma formação profissional que não os prepara para esse contexto. Entretanto, a pesquisadora ressalta que um aspecto positivo é a visão de apoio que os professores possuem da coordenação e direção das escolas. “A escola, enquanto coordenação, é vista pelos professores como recurso de apoio, e não apenas como fonte de cobrança pelo seu trabalho”.

Miriam afirma que a carência identificada pelos professores serve de alerta para a avaliação das estratégias de ensino dentro da sala de aula. “É necessário utilizar hoje outras habilidades, para atender diferentes demandas. Uma única forma de trabalhar com a classe gera um processo de exclusão”. Para ela, o déficit de recursos advém da formação dos próprios professores, e a melhoria nesse ponto, como cursos de especialização, não é vista como alternativa pelos profissionais. “Na academia, a heterogeneidade também se aplica. Se a gente entende que um grupo de professores é heterogêneo, é preciso considerar essas diferenças durante a formação deles e ouvir suas necessidades”, completa.

Foto: Marcos Santos / USP Imagens

Mais informações: email mirguima@usp.br, com Miriam Guimarães

Link:

http://www.usp.br/agen/?p=172963

Atlas de cianobactérias de águas continentais brasileiras – IBSP

http://www.ibot.sp.gov.br/publicacoes/virtuais/atlas%20definitivo%20chloro%20e%20cyano.pdf

Macroalgas brasileiras apresentam potencial biotecnológico

Júlio Bernardes - jubern@usp.br Publicado em 24/outubro/2013

O potencial biotecnológico de 25 espécies de macroalgas coletadas na costa brasileira é mostrado em pesquisa do Instituto de Química (IQ) da USP. No estudo da bioquímica Aline Paternostro Martins foram identificadas as espécies com maior potencial para a produção de biodiesel (inclusive desenvolvendo formas de cultivo), suplementos alimentares e com atividade biológica. A pesquisa foi orientada pelo professor Pio Colepicolo Neto, do IQ.

Macroalga Dictyota menstrualis apresenta maior potencial para obtenção de óleo

Foram estudadas 14 espécies de macroalgas pertencentes à divisão Rhodophyta, 4 espécies pertencentes à divisão Chlorophyta e 7 espécies pertencentes à divisão Heterokontophyta. As amostras utilizadas na pesquisa foram coletadas em Ubatuba (litoral norte de São Paulo) e Natal (Rio Grande do Norte), porém as espécies analisadas no estudo podem ser encontradas em toda a extensão do litoral brasileiro. “Na pesquisa, foi selecionada uma espécie dentre as várias com maior potencial para a produção de biodiesel e estabelecido o seu cultivo em laboratório”, diz Aline. “A engenharia bioquímica, por meio da manipulação de alguns fatores abióticos durante o seu cultivo, foi utilizada para aumentar a taxa fotossintética do organismo e desviar o seu metabolismo para a biossíntese de lipídeos, promovendo o aumento da produção de óleo”.

De acordo com a bioquímica, ao estudar uma macroalga para avaliar o seu potencial como fonte de biodiesel, além da quantidade e qualidade dos ácidos graxos, é interessante que outras características sejam observadas. “Entre elas, estão a fotossíntese e crescimento, pois além de ter alto teor de lipídeos e um perfil adequado de ácidos graxos, o organismo deve apresentar um bom desenvolvimento e crescimento”, conta. “Também é preciso avaliar o conteúdo de proteínas, pigmentos e carboidratos, uma vez que a biomassa restante pode ser utilizada para a síntese de co-produtos, como alimentos, rações, fertilizantes, pigmentos, entre outros, agregando valor econômico à espécie”.

Com o conhecimento da composição bioquímica das macroalgas, espécies que não possuírem um perfil bom para o biodiesel, podem ser aproveitadas para outras finalidades como, por exemplo, para a alimentação rica em nutracêuticos, que são alimentos, ou parte de alimentos, que proporcionam benefícios à saúde, como a prevenção e tratamento de doenças, destacando-se, nesse caso, os ácidos graxos da família do omega-3.

Óleo

A diversidade bioquímica existente nas macroalgas marinhas abre uma gama de possibilidades para a sua utilização para diferentes finalidades. “As espécies Spatoglossum schroederi e Dictyota menstrualis apresentaram os maiores valores de ácidos graxos totais, saturados, monoinsaturados e poliinsaturados, destacando-se pelo alto conteúdo de ácidos graxos poliinsaturados e omega-3 e pelo alto conteúdo de ácidos graxos monoinsaturados, respectivamente”, diz a bioquímica. “Esse resultado evidencia uma possível utilização de S. schroederi como nutracêutico e de D. menstrualis como fonte de biodiesel”.

Após a escolha da espécie com potencial para a produção de biodiesel, estabeleceu-se o seu cultivo em laboratório e posteriormente avaliou-se os efeitos do aumento do CO2, em condições de saturação e limitação de nitrogênio. “O cultivo foi realizado em biorreatores, avaliando-se principalmente o crescimento, a fotossíntese e sua composição bioquímica, a fim de encontrar condições de cultivo nas quais a macroalga apresente alta taxa de crescimento e de fotossíntese e aumente a biossíntese de lipídeos e ácidos graxos”, afirma Aline. “Além disso, o perfil de ácidos graxos também pode variar em função das condições de cultivo”.

A Dictyota menstrualis foi a espécie que apresentou as melhores características para ser utilizada como fonte para produção de biodiesel. “Entretanto, quando essa espécie foi cultivada, houve um aumento no seu teor de ácidos graxos poliinsaturados e omega-3, o que a torna mais interessante para ser aproveitada como nutracêutico do que como matéria-prima para a produção de biodiesel”, diz a bioquímica. “Apesar da presença de CO2 e nitrogênio no meio terem estimulado a taxa de crescimento e de fotossíntese, apenas esse último nutriente teve efeito sobre o conteúdo de ácidos graxos, estimulando a biossíntese dos ácidos graxos poliinsaturados e de omega-3”.

Os cultivos em biorreatores foram realizados no Instituto de Botânica da Secretaria do Meio Ambiente do Estado de São Paulo, sob a co-orientação da professora Nair Sumie Yokoya.

Foto: Eliane Marinho Soriano / cedida pela pesquisadora

Link:

http://www.usp.br/agen/?p=158332

Brown Algae Reveal Antioxidant Production Secrets

Sep. 5, 2013 — Brown algae contain phlorotannins, aromatic (phenolic) compounds that are unique in the plant kingdom. As natural antioxidants, phlorotannins are of great interest for the treatment and prevention of cancer and inflammatory, cardiovascular and neurodegenerative diseases.

Researchers at the Végétaux marins et biomolécules (CNRS/UPMC) laboratory at the Station biologique de Roscoff, in collaboration with two colleagues at the Laboratoire des sciences de l'Environnement MARin (Laboratory of Marine Environment Sciences) in Brest (CNRS/UBO/IFREMER/IRD) have recently elucidated the key step in the production of these compounds in Ectocarpus siliculosus, a small brown alga model species. The study also revealed the specific mechanism of an enzyme that synthesizes phenolic compounds with commercial applications. These findings have been patented and should make it easier to produce the phlorotannins presently used as natural extracts in the pharmaceutical and cosmetic industries. The results have also been published online on the site of the journal The Plant Cell.

Until now, extracting phlorotannins from brown algae for use in industry was a complex process, and the biosynthesis pathways of these compounds were unknown. By studying the first genome sequenced from a brown alga, the team in Roscoff identified several genes homologous to those involved in phenolic compound biosynthesis in terrestrial plants (1). Among these genes, the researchers found that at least one was directly involved in the synthesis of phlorotannins in brown algae. They then inserted these genes into a bacterium, which thus produced a large quantity of the enzymes that could synthesize the desired phenolic compounds. One of these enzymes, a type III polyketide synthase (PKS III), was studied in detail and revealed how it produces phenolic compounds. PKS III is able, for example, to synthesize phloroglucinol (notably used in antispasmodic drugs and in explosives) and other phenolic compounds with commercial applications.

Besides this mechanism, results revealed that the compounds had other biological functions in the acclimation and adaptation of brown algae to salinity stress. Knowledge of these biosynthesis pathways would allow researchers to uncover the signaling mechanisms that regulate this metabolism. It would also be useful for understanding the biological and ecological functions of these compounds in other brown algae that are already used commercially.

This work was initiated with the support of the scientific interest group (GIS) Europole Mer. It culminated in the creation of IDEALG, a project launched in September 2011 as part of France's Investments for the Future program and led by the Station Biologique de Roscoff. IDEALG is a 10-year research scheme involving more than one hundred scientists. It aims to find biotechnology applications for genomic and post-genomic research, as well as exploit marine macroalgal bioresources. A CNRS patent has been filed and in-depth work on structural biology and controlled mutagenesis is being pursued as part of IDEALG. It should lead to new paths for protein engineering, which will make it possible to produce molecules of interest directly and more easily. This will be achieved using bacteria, thus avoiding the production of plant organic matter (biomass), whose purification is hampered by the difficult extracting process of natural phlorotannins.

(1) Phenolic compounds: aromatic chemical compounds from plants. Phenolic compounds represent a class of substances long known in French as matières tannoïques (tanoic substances). The tannins are one of the four main families of phenolic compounds.

Ectocarpus siliculosus growing on the marine plant Zostera. (Credit: © Akira Peters, Station Biologique Roscoff.)

Journal Reference:

Laurence Meslet-Cladière, Ludovic Delage, Cédric Leroux, Sophie Goulitquer, Catherine Leblanc, Emeline Creis, Erwan Ar Gall, Valérie Stiger-Pouvreau, Mirjam Czjzek, Philippe Potin. Analysis of a Type III Polyketide Synthase Function and Structure in the Brown Alga Ectocarpus siliculosus Reveals a Previously Unknown Biochemical Pathway in Phlorotannin Monomer Biosynthesis. Plant Cell, 27/08/2013 DOI: 10.​1105/​tpc.​113.​111336

Link:

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/09/130905085642.htm

Portugal: Algas de Peniche podem vir a ser arma na luta contra o cancro

Doméstica, prevenção de doenças oncológicas e combate a infecções. Estas são algumas das potencialidades das algas marinhas de Peniche, que estão a ser estudadas por uma equipa de investigadores do Instituto Politécnico de Leiria (IPL), no âmbito de um estudo europeu inovador na área da biotecnologia, avança o portal Boas Notícias.

Rui Pedrosa, professor do IPL e coordenador do projecto, explicou ao Boas Notícias que a escolha de Peniche como centro desta investigação surgiu pela "diversidade de praias rochosas com características muito diferentes que promovem o aparecimento de muitas espécies de algas distintas".

As algas marinhas têm características únicas geradas por condições ambientais extremas – como é o caso da temperatura, da luminosidade, do vento e das marés – que lhes conferem resistência a estas situações de stress. Rui Pedrosa e os outros investigadores encontraram nestas características "capacidades antitumorais, antixodidantes e antimicrobianas", essenciais para o combate e prevenção de doenças.

Algas ricas em Co-enzima Q10

Algumas das moléculas são também apontadas para o uso na área alimentar e da cosmética graças à elevada actividade antioxidante das moléculas. Nesta investigação já foram encontradas duas bactérias marinhas que produzem Co-enzima Q10, substância utilizada no fabrico de cremes de beleza, com elevado valor comercial.

O coordenador da investigação acredita que estes novos conhecimentos podem "abrir portas à criação de novas empresas na área da biotecnologia e, por esta via, será promovida a economia do mar" que ainda está pouco aproveitada no nosso país.

Rui Pedrosa referiu ainda que "um dos maiores potenciais económicos é intangível, já que o sucesso do projecto motiva e estimula jovens estudantes", valorizando também a área da Ciência e Tecnologia do Mar.

Para além da equipa do IPL, o estudo conta com a colaboração de professores da Escola Superior de Turismo e Tecnologia do Mar de Peniche, três investigadores a tempo inteiro, dois Mestres em Biotecnologia de Recursos Marinhos e um licenciado em Biologia Marinha e Biotecnologia. O trabalho é dividido entre a recolha de exemplares na praia e a sua experimentação em laboratório.

Projecto envolve nove países

A conclusão do estudo está prevista para 2014, mas Rui Pedrosa espera que a investigação seja prolongada para garantir "o aumento dos conhecimentos e competências" na área da Biotecnologia Marinha, até porque foram estabelecidas parcerias com uma rede de instituições de investigação e de ensino superior "de elevada qualidade". "Como em qualquer outro projecto de investigação, depois de algumas respostas surgem muitas outras perguntas", sublinhou.

O projecto europeu surgiu após o encontro de interesses comuns entre o Grupo de Investigação em Recursos Marinhos do IPL e o Instituto de Limerick, na Irlanda, que pretendiam desenvolver uma investigação com objectivos semelhantes. O estudo encontra-se sob a coordenação do instituto irlandês e, além de Portugal, conta com a participação de sete universidades de Espanha, Itália, França, Bélgica, Rússia e Brasil.

Data: 06.02.2013

Link:

http://www.pop.eu.com/news/8600/26/Algas-de-Peniche-podem-vir-a-ser-arma-na-luta-contra-o-cancro.html

They Hunt, They Kill, They Cheat: Single-Celled Algae Shed Light On Social Lives of Microbes

Jan. 18, 2013 — Cheating is a behavior not limited to humans, animals and plants. Even microscopically small, single-celled algae do it, a team of University of Arizona researchers has discovered.

Humans do it, chimpanzees do it, cuckoos do it -- cheating to score a free ride is a well-documented behavior by many animals, even plants. But microscopically small, single-celled algae? Yes, they do it too, biologists with the University of Arizona's department of ecology and evolutionary biology have discovered.

"There are cheaters out there that we didn't know of," said William Driscoll, lead author of a research report on the topic who studied an environmentally devastating toxic alga that is invading U.S. waters as part of his doctoral research in the lab of Jeremiah Hackett, an assistant professor of ecology and evolutionary biology.

Driscoll isolated several strains of the species, Prymnesium parvum, and noticed that some grew more quickly and do not produce any of the toxins that protect the algae against competition from other species of algae.

"When those 'cheaters' are cultured with their toxic counterparts, they can still benefit from the toxins produced by their cooperative neighbors -- they are true 'free riders,'" Driscoll explained.

The study, published in the journalEvolution, adds to the emerging view that microbes often have active social lives. Future research into the social side of toxic algae could open up new approaches to control or counteract toxic algal blooms, which can pose serious threats to human health and wipe out local fisheries, for example.

Prymnesium belong to a group of algae known as golden algae, so named for their accessory pigments, which give the cells a golden sheen. This toxic species lives mostly in oceans and only recently has invaded freshwater environments. Its distant relatives include the equally microscopic diatoms, which make up a large part of phytoplankton, and giant kelp.

The algae produce toxins that are deadly to fish but so far have not been shown to threaten the health of humans or cattle. Many scientists believe the toxin arose as a chemical weapon to wipe out other algae and other organisms competing for the same nutrients and sunlight on which the algae depend. The discovery of cheaters that don't bother to produce toxin, however, throws a wrench into this scenario.

"We are trying to understand the ecological side in these algae," Driscoll said.

"If you're a single cell, regardless of whether you make a toxin or not, you're just drifting through the water, and everything is drifting with you," Driscoll explained. "Producing toxins only makes sense if the entire population does it. Any given individual cell won't get any benefit from the chemicals it makes because they immediately diffuse away. It's a bit like schooling behavior in fish: A single fish can't confuse a predator; you need everyone else do the same thing." For that reason, he explained, the cheaters should have an immediate advantage over their "honest" peers because they can invest the energy and resources they save into making more offspring.

"Theory tells us cooperation should break down in these circumstances. If you are secreting a toxin and it's beneficial to your species, then everybody gets access to that benefit. In a well-mixed population where there is no group structure, natural selection should favor selfishness, and the cheaters should take over." But for some reason, they don't. An alternative explanation for toxicity becomes clear when toxic cells are observed alongside their competition under a microscope.

"They attack other cells," he said. "Using their two flagella, they swim up to the prey and latch on to it. Sometimes a struggle takes place, and more cells swim up to the scene, surround their victim and release more toxin, and then they eat it."

"These toxins might have evolved less as a means to keep competitors away and more like a rattlesnake venom. The algae might use it to stun or immobilize prey." Driscoll and his co-workers isolated the toxic and the non-toxic strains side by side from the same water sample, taken from a late bloom as the bloom started to crash.

"When times are good and there are plenty of nutrients in the water, the algae use photosynthesis to gain energy from sunlight, but when nutrients become sparse, they attack and become toxic," Driscoll said. "That's when they start swimming around looking for prey. They are a little bit like carnivorous plants in that way -- like a Venus fly trap."

The group observed that as soon as nutrients become scarce, the toxic population ceases to grow, but the cheaters keep multiplying.

Driscoll and his team think the cheating behavior could be an adaptation to the algae bloom life style.

"During a bloom you have killed off all the prey or a huge amount of it, so why produce toxins and go looking for something that isn't there? It might be better to just keep growing and not even try to bother to keep looking for prey because it's gone."

Driscoll said the research illustrates how little is known about the ecology of microbes.

"We're just starting to understand what the mechanisms are that maintain cooperation in microbes. The theory is heavily slanted toward multicellular organisms. Only recently have people started to think about microbes cooperating."

To better understand the genes and biochemical pathways that control how the algae make their toxins, the group in Hackett's lab is investigating which genes are active in the toxic compared to the non-toxic strains.

"We are finding a number of stress-related genes are regulated differently in the cheaters," Driscoll said. "A lot of the other genes have not been studied before, especially those most likely involved in toxin production."

"The problem is that nothing close to these algae has had its genome sequenced, so they're pretty mysterious. Many of the genes we have sequenced are novel, so understanding their function is a big part of the challenge."

Unraveling the molecular mechanisms behind all this chemical warfare, cheating behavior and maximizing growth could potentially lead to new applications, the researchers speculate, albeit cautiously.

Driscoll explained the cheating trait might be an Achilles heel that could be exploited to curb algal blooms.

"We are ultimately interested in disrupting the competitive abilities of these bloom-forming populations. While this research is just scratching the surface, understanding how natural selection may work over the course of a bloom can provide a deeper understanding of the traits that are most important to the success of this species."

In addition, the cheaters' tendency to keep growing when their toxic peers no longer can is in some ways reminiscent of cancer cells.

According to Driscoll, one way to think about cancer is that cancerous cells have an immediate advantage over their non-cancerous, well-behaved neighbors. But this advantage, if unchecked, is very shortsighted because it will interfere with the basic functioning of the multicellular organism of which they are all a part.

"What we may be seeing in our algae is a -- far less extreme -- version of a similar story, because a short-term advantage to not producing toxins may interfere with the long-term competitive ability of the population."

Journal Reference:

William W. Driscoll, Noelle J. Espinosa, Omar T. Eldakar, Jeremiah D. Hackett. ALLELOPATHY AS AN EMERGENT, EXPLOITABLE PUBLIC GOOD IN THE BLOOM-FORMING MICROALGAPRYMNESIUM PARVUM.Evolution, 2013; DOI: 10.1111/evo.12030

Link:

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/01/130118172335.htm

Cientistas identificam extratos bioativos em algas vermelhas

Por Antonio Carlos Quinto - acquinto@usp.br

Na Faculdade de Ciências Farmacêuticas de Ribeirão Preto (FCFRP) da USP, pesquisadores conseguiram identificar extratos e substâncias com potencial antiprotozoário e antifúngico em algas vermelhas (Bostrychia tenella) coletadas em costões rochosos de Ubatuba, no litoral norte do estado de São Paulo. Os cientistas também conseguiram caracterizar extratos bioativos que poderão, no futuro, ser potencialmente utilizados na indústria farmacêutica.

Culturas algais mantidas em laboratório na FCFRP

Segundo o farmacêutico Rafael de Felício, que defendeu sua dissertação de mestrado sobre o tema, suas pesquisas envolvem estudos dos Produtos Naturais (substancias que são oriundas do metabolismo secundário) sintetizados por algas marinhas. “É comum vermos estudos envolvendo a identificação de metabólitos primários, tais como açúcares, polissacarídeos, proteínas e aminoácidos, entre outros, mas, estudos envolvendo a descoberta de novos metabólitos secundários são bastante escassos para certos organismos. Por meio de revisão da literatura sobre o tema não foram encontradas pesquisas sobre os metabólitos secundários desta espécie de alga vermelha, a Bostrychia tenella”, afirma o pesquisador. “Os metabólitos primários são aqueles essenciais para a sobrevivência do organismo, enquanto que os secundários são os ditos especiais, que exercem funções especificas para cada organismo, como de proteção contra fungos, predadores e competidores, além de feromônios sexuais”, descreve o pesquisador.

Metabólitos raros

Ao todo, os cientistas isolaram e analisaram 63 metabólitos secundários. Entre os 24 metabólitos fenólicos (substâncias aromáticas) identificados, de grande interesse são aqueles halogenados, como bromofenois, responsáveis pelas propriedades de sabor e aroma das algas. “Os metabólitos halogenados são bastante raros em plantas e animais terrestres!” Do ponto de vista científico, das 24 substâncias descobertas, três são inéditas na literatura científica e outras nove são inéditas como produtos naturais. A professora Hosana Maria Debonsi, do Departamento de Física e Química da FCFRP e orientadora da pesquisa, explica que os metabólitos inéditos como produtos naturais são aqueles que podem até terem sido sintetizados em laboratório, mas ainda não foram isolados a partir de organismos vivos.

Aparelho reprodutor da Bostrychia tenella em detalhe

Muitas destas substâncias podem levar à descoberta de interessantes protótipos farmacêuticos no futuro “Podemos citar como exemplo a aspirina — ácido acetilsalicílico, cujo precursor foi a salicilina, introduzida com finalidade medicinal para o alivio de febre e dores em 1876, utilizada em uma mistura herbal obtida a partir do extrato de Salix sp.. “Assim, o precursor foi de origem natural mas o produto final foi sintetizado a partir deste”, descreve a professora.

Ainda, além destes nove metabólitos encontrados pela primeira vez na natureza, mais especificamente nas algas vermelhas, outras substâncias podem ser citadas, como carotenóides, esteróides, ésteres e ácidos graxos, também encontrados em óleos vegetais.

Felício conta que todas as análises foram feitas em laboratório, utilizando amostras de algas vermelhas. “Encontramos ainda quatro substâncias inéditas em algas marinhas (encontradas previamente em outros organismos) e seis que foram identificadas pela primeira vez no gênero Bostrychia”, lembra o pesquisador.

Fungo endofítico isolado da espécie Bostrychia tenella

Microorganismos endofíticos

Entre as substâncias identificadas, os cientistas também conseguiram isolar microorganismos endofíticos que habitam o interior dos talos (tecidos) das algas. “A partir do cultivo em laboratório destes microorganismos, foi possível a obtenção de extratos e frações que demonstraram potencial biológico quando submetidos a ensaios citotóxicos usando células tumorais HL-60, HCT-8 e SF-295, antifúngicos e antibacterianos”, lembra Hosana.

Segundo ela, estas substâncias podem ser promissoras em futuras pesquisas para a produção de fármacos para a terapia do câncer e doenças causadas por fungos e bactérias, como a infecção hospitalar. “Mas quando falamos neste tipo de aplicação podemos estimar um tempo mínimo de dez anos”, calcula a professora.

O estudo Produtos naturais marinhos: identificação de metabólitos fenólicos halogenados na macroalga Bostrychia tenella (Rhodomelaceae, Rhodophyta) e potencial biológico de microorganismos endofíticos associados, foi apresentado na FCFRP em outubro de 2010.

Mais informações: com a professora Hosana Maria Debonsi, no email hosana@fcfrp.usp.br; ou Rafael de Felício, no rfelicio@fcfrp.usp.br

Link:

http://www.usp.br/agen/?p=76703