A Inovação da UFSCar Inspirada na Biodiversidade Brasileira

A Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) está no centro de uma descoberta que pode transformar a detecção de doenças em tecidos profundos. Pesquisadores do campus de Sorocaba desenvolveram um sistema avançado de bioluminescência baseado na larva-trenzinho (Phrixotrix hirtus), uma espécie endêmica do Brasil conhecida por sua capacidade única de emitir luz vermelha. Esse avanço permite o monitoramento em tempo real de processos como o crescimento de tumores cancerígenos e infecções bacterianas em mamíferos, penetrando camadas profundas de tecidos que métodos tradicionais não alcançam.

O sistema utiliza uma luciferase mutante engenheirada, combinada com análogos de luciferina como o 6'-aminoluciferin, gerando luz no espectro do vermelho distante e infravermelho próximo (até 660 nm). Essa faixa de comprimento de onda é crucial porque a luz vermelha penetra melhor nos tecidos biológicos, evitando a absorção por hemoglobina, mioglobina e melanina, comuns em mamíferos. Testes em células COS-1 de fibroblastos demonstraram brilho superior e espectro mais deslocado para o vermelho em comparação com sistemas comerciais como AkaLuc/AkaLumine.

A Larva-Tranzinho: Um Tesouro da Biodiversidade Brasileira

A Phrixotrix hirtus, popularmente chamada de larva-trenzinho por sua aparência alongada e lanternas laterais, é encontrada quase exclusivamente na Mata Atlântica brasileira. Essa larva emite luz verde pulsante nas laterais para defesa contra predadores e uma luz vermelha contínua na cabeça, suspeita-se que usada como lanterna para caçar presas no escuro do solo florestal. A bioluminescência vermelha é rara em organismos terrestres, tornando-a única no mundo.

O Brasil abriga a maior diversidade de insetos bioluminescentes do planeta, com cerca de 500 espécies das 2.500 conhecidas globalmente. O Laboratório de Bioluminescência da UFSCar, liderado pelo professor Vadim Viviani, mantém o maior banco mundial de luciferases, com 20 enzimas selvagens isoladas da fauna brasileira e centenas de mutantes patenteadas. Viviani clonou a luciferase vermelha da larva-trenzinho no final dos anos 1990, durante pós-doutorado no Japão, pavimentando o caminho para esta inovação.

Como Funciona o Mecanismo de Bioluminescência

A bioluminescência é uma reação química onde a luciferase oxida a luciferina na presença de ATP, oxigênio e íons magnésio, emitindo luz como subproduto. Na larva-trenzinho, o sítio ativo da luciferase é maior que o de luciferases de vagalumes, permitindo acomodar substratos maiores para emissão vermelha. Os pesquisadores aplicaram mutagênese dirigida por saturação em resíduos como R215K e L348C, otimizando afinidade por análogos de luciferina (ex.: N5, com K_M de 5 μM).

• Passo 1: Expressão da luciferase mutante em E. coli BL21-DE3, purificação por cromatografia de afinidade de níquel.
• Passo 2: Adição de substrato (d-luciferina ou análogo) + ATP/Mg²⁺, catalisando oxidação.
• Passo 3: Emissão de luz NIR (650-660 nm), capturada por espectroluminômetros ou câmeras como NightOwl.
• Passo 4: Em células transfectadas (pCMV), imageamento in vivo revela processos em tempo real.

Essa estabilidade térmica (meia-vida de 20 min a 37°C) e cinética sustentada (meia-vida de 240 s) superam limitações anteriores, permitindo observação prolongada sem substrato excessivo.

Aplicações na Detecção de Câncer em Tecidos Profundos

Em modelos de câncer, o sistema atua como repórter gênico: células tumorais expressam a luciferase ligada a promotores específicos de metástase. A luz NIR permite rastrear disseminação em tecidos profundos de ratos e camundongos, onde luz verde seria absorvida. Estudos prévios citados mostram uso em imageamento de tumores, com potencial para terapias theranósticas (diagnóstico + tratamento).Artigo na Chemical & Biomedical Imaging

Por exemplo, em xenografts de câncer, o brilho 160% superior facilita detecção precoce, reduzindo falsos negativos em 30-50% comparado a sistemas verdes.

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Monitoramento de Infecções e Processos Inflamatórios

Para infecções, a luciferase é fusionada a anticorpos ou promotores bacterianos, iluminando patógenos como Staphylococcus aureus em abscessos profundos. Testes in vitro rastrearam inflamação em culturas celulares, com aplicações in vivo em coelhos para infecções ósseas. A durabilidade da luz permite acompanhamento de resposta a antibióticos em horas, acelerando desenvolvimento de fármacos.

O Papel da UFSCar na Pesquisa em Biotecnologia

A UFSCar, via Centro de Ciências e Tecnologias para a Sustentabilidade (CCTS) em Sorocaba, lidera com o Projeto Temático FAPESP "Bioluminescência: biodiversidade; origem metabólica; estrutura/função e engenharia de luciferases". Financiado por FAPESP (processos 22/03538-0, 20/07649-6, 17/22262-8), o lab de Viviani forma doutorandos como Gabriel Felder Pelentir, primeiro autor do paper, e Vanessa Bevilaqua (ex-doutoranda, PUC-SP).

"Essa combinação representa um salto qualitativo para a bioimagem em mamíferos", diz Viviani. A universidade investe em equipamentos como câmaras CCD, posicionando-se como hub de biofotônica no Brasil.

Vantagens Competitivas e Comparações

• Maior brilho: 140% superior ao mutante simples com N5.
• Espectro mais vermelho: 65% acima de 650 nm vs. 45% do AkaLuc.
• Estabilidade: Supera sistemas termolábeis para uso clínico.
• Custo-efetivo: Substratos sintéticos acessíveis via parceiros japoneses.

Supera fluorescência (exige excitação externa) e tomografia por emissão de pósitrons (radioativa), sendo não-invasiva e em tempo real.

Impactos para a Saúde Pública e Biomedicina no Brasil

No Brasil, onde câncer causa 200 mil mortes/ano (INCA), essa tecnologia acelera diagnósticos precoces, reduzindo custos do SUS em 20-30%. Facilita ensaios clínicos em universidades federais, fomentando parcerias com indústria farmacêutica. Aplicações ambientais incluem biossensores para poluentes pesados.Relato completo na Agência FAPESP

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Perspectivas Futuras e Desafios

Futuro inclui testes in vivo em modelos animais complexos e ensaios clínicos humanos. Desafios: escalabilidade de produção enzimática e aprovação ANVISA. Com patentes pendentes, pode gerar spin-offs na UFSCar, impulsionando inovação em biotecnologia brasileira. Colaborações internacionais (Japão) fortalecem o ecossistema de pesquisa nacional.

"Estamos abrindo portas para uma nova era de bioimagem acessível", afirma Pelentir.

Contribuições da Biodiversidade Brasileira para a Ciência Global

A Mata Atlântica abriga tesouros como a larva-trenzinho, destacando o papel das universidades brasileiras em prospectar biodiversidade para biotecnologia. Iniciativas como Biota-FAPESP sustentam isso, posicionando o Brasil como líder em biofotônica.