Polytech-CyanoSPO is a chemically rationalized BG11 derivative overcoming precipitation and toxicity for robust cyanobacterial growth

Nos cantos tranquilos de lagos e rios de água doce, plantas microscópicas chamadas cianobactérias estão constantemente em atividade. Esses organismos unicelulares são os motores do mundo aquático, capturando a luz solar para criar energia e liberando oxigênio, muito parecido com as árvores na terra. No entanto, algumas dessas plantas minúsculas podem se tornar perigosas. Quando as condições são favoráveis, elas podem se multiplicar rapidamente, formando espumas verdes espessas conhecidas como florações de algas nocivas. Essas florações podem sufocar outras formas de vida na água e liberar venenos que ameaçam os suprimentos de água potável, animais de estimação e pessoas. Para entender como essas florações começam, como produzem toxinas e como interrompê-las, os cientistas devem ser capazes de cultivar esses organismos em laboratório. Eles precisam de um ambiente controlado onde possam observar as células se dividindo e estudar seu comportamento sem o caos de um lago natural.

Por décadas, a receita padrão para alimentar essas cianobactérias de água doce em laboratório tem sido uma mistura chamada BG11. É uma fórmula bem conhecida, confiada por pesquisadores em todos os lugares, contendo água, sais e nutrientes essenciais como ferro, nitrogênio e fósforo. A ideia é simples: fornecer o alimento que as células precisam e elas crescerão. Mas, para um grupo específico de cianobactérias tóxicas, essa receita padrão falhou completamente. Quando os cientistas tentaram cultivar três espécies particulares — Planktothrix agardhii, Shackletoniella antarctica e Pseudanabaena catenata — nesta mistura padrão, as células não apenas cresceram lentamente; elas pararam de crescer totalmente. Elas ficaram pálidas, sua maquinaria interna entrou em colapso e as culturas morreram. Essa falha criou um grande obstáculo. Sem uma maneira de cultivar essas linhagens tóxicas específicas em laboratório, os pesquisadores não poderiam estudar o que as gatilha para liberar seus venenos ou como prever quando uma floração pode acontecer na natureza.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Politécnica Peter the Great St. Petersburg decidiu investigar por que esse alimento padrão estava falhando e construir um melhor. Eles descobriram que o problema não era a falta de comida, mas sim como esse alimento era entregue. Na mistura padrão, certos ingredientes reagiam entre si para formar aglomerados sólidos que as bactérias não podiam comer, enquanto outros ingredientes criavam um ambiente químico que era, na verdade, tóxico para as células. Para corrigir isso, os cientistas desenvolveram uma nova receita modificada que nomearam de Polytech-CyanoSPO. Esta nova mistura não inventou novos nutrientes; em vez disso, ela substituiu quatro ingredientes específicos por diferentes formas dos mesmos nutrientes que as bactérias realmente podem usar.

A primeira mudança abordou o ferro, um mineral vital necessário para as bactérias realizarem a fotossíntese. Na receita antiga, o ferro era misturado com um composto que se decompunha rapidamente na luz, fazendo com que o ferro se transformasse em uma lama sólida semelhante à ferrugem que se depositava no fundo do recipiente. As bactérias não consegiam alcançá-lo. A nova receita substituiu isso por um sal de ferro diferente, pareado com uma molécula especial que atua como uma gaiola protetora, mantendo o ferro em um estado líquido e dissolvido para que as células pudessem agarrá-lo facilmente. A segunda mudança envolveu a fonte de nitrogênio. A receita antiga usava uma forma de nitrogênio que trazia consigo o sódio, um sal que pode estressar as células e interromper seu equilíbrio interno. A nova receita trocou isso por uma forma de nitrogênio pareada com o potássio, um mineral que as bactérias precisam para funcionar, transformando efetivamente o alimento em uma fonte de tanto energia quanto de minerais essenciais, sem o estresse.

O terceiro ajuste tratou do fósforo, outro nutriente fundamental. Na mistura padrão, a maneira como o fósforo era dissolvido tornava provável que ele grudasse no cálcio e no magnésio, formando sólidos invisíveis que as bactérias não podiam absorver. A nova receita utilizou uma forma diferente de fósforo que mantinha a água levemente ácida, evitando que esses sólidos se formassem e mantendo o fósforo disponível para as células comerem. Finalmente, a equipe alterou a fonte de um metal traço chamado cobalto, removendo uma forma química que poderia ser prejudicial e substituindo-a por uma versão mais segura e estável. Essas quatro mudanças foram pequenas em número, mas massivas em seu efeito.

Quando os pesquisadores testaram sua nova mistura contra a antiga, os resultados foram dramáticos. Na mistura BG11 padrão, as três espécies tóxicas mal sobreviveram. Seus números não aumentaram, sua cor verde desapareceu e elas produziram quase nada de oxigênio, um sinal de que seus motores de energia haviam parado. Em contraste, as culturas cultivadas na nova mistura Polytech-CyanoSPO explodiram em vida. Ao longo de quatorze dias, o número de células na nova mistura cresceu dez a trinta vezes mais do que na antiga. A água nas novas culturas tornou-se tão rica em oxigênio que continha mais do que o ar acima dela poderia normalmente dissolver, um sinal claro de que as bactérias estavam realizando a fotossíntese em velocidade máxima.

Os cientistas também mediram o que restou na água após o experimento. Nas culturas que falharam, a água ainda estava cheia de nitrogênio e fósforo não utilizados, provando que as bactérias estavam doentes demais para comê-los. Nas culturas bem-sucedidas, a água estava quase vazia desses nutrientes, mostrando que as bactérias saudáveis consumiram quase tudo o que estava disponível. A nova mistura também manteve a água em um nível de pH estável e neutro, enquanto a mistura antiga tornou-se muito alcalina, o que acabou envenenando as células. Ao resolver esses enigmas químicos, os pesquisadores forneceram uma maneira confiável de cultivar essas linhagens tóxicas difíceis. Este avanço significa que os cientistas agora podem estudar esses organismos em laboratório com confiança, abrindo as portas para entender como eles produzem suas toxinas e como proteger os suprimentos de água dos perigos das florações de algas nocivas.