Chemical mutation of Stichococcus sp. for the selection of strains with lower chlorophyll content and higher biomass production

A luz solar é o motor que impulsiona a vida no oceano, mas para as minúsculas plantas unicelulares conhecidas como microalgas, o excesso de algo bom pode se tornar um problema. Esses organismos microscópicos dependem de um pigmento verde chamado clorofila para capturar a energia luminosa e convertê-la em alimento e crescimento. No entanto, quando essas células crescem amontoadas em um grande tanque, sua alta concentração de pigmento verde cria uma barreira. As células na parte externa absorvem quase toda a luz, projetando uma sombra profunda que priva as células no meio de nutrientes. Esse fenômeno, frequentemente chamado de "efeito de sombra", limita o quanto a cultura inteira de biomassa pode produzir, tornando difícil cultivar esses organismos de forma eficiente em larga escala para combustíveis ou outros produtos.

Cientistas há muito buscam maneiras de contornar essa limitação, encontrando ou criando linhagens de microalgas que não precisem de tanta clorofila para sobreviver. Se uma linhagem pudesse crescer com menos pigmento verde, isso permitiria que a luz penetrasse mais profundamente na cultura, possibilitando que mais células cresçam simultaneamente e aumentando a colheita total. Uma equipe de pesquisadores da Universidade Técnica de Creta, na Grécia, enfrentou recentemente esse desafio trabalhando com um tipo específico de microalga em forma de bastonete chamada Stichococcus. Eles visavam criar uma versão desse organismo que naturalmente produz menos clorofila, mas cresce mais rápido e produz substâncias mais valiosas, como óleos e açúcares, do que suas contrapartes selvagens.

Para alcançar isso, os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada mutagênese química. Eles expuseram uma cultura da Stichococcus selvagem a uma substância química conhecida como metanossulfonato de etila, que atua como um randomizador para o código genético do organismo. Esse processo introduz pequenas mudanças imprevisíveis no DNA das células. O objetivo não era projetar uma mudança específica, mas gerar uma ampla variedade de mutações aleatórias e, em seguida, filtrar os sobreviventes para encontrar aqueles que, por acaso, possuíam menos clorofila. A equipe ajustou cuidadosamente a concentração do produto químico para garantir que apenas cerca de cinco por cento das células sobrevivessem ao tratamento, um nível de estresse que incentiva o surgimento de novos traços sem dizimar toda a população.

Após o tratamento químico, os pesquisadores colocaram as células sobreviventes em placas de ágar sólido e esperaram que elas crescessem em colônias visíveis. Eles buscaram colônias que parecessem mais claras em cor do que o verde profundo da linhagem selvagem original. A partir delas, selecionaram duas linhagens específicas, que nomearam como EMS1 e EMS2, porque pareciam as mais pálidas. Para confirmar que essas cores mais claras eram uma mudança genética permanente e não apenas uma reação temporária, a equipe cultivou essas linhagens por três gerações em água do mar líquida. Eles então compararam o desempenho dessas novas mutantes contra o tipo selvagem original sob condições idênticas, medindo quanta biomassa produziam, quanta clorofila continham e quanto óleo e carboidratos armazenavam.

Os resultados mostraram uma vantagem clara para as linhagens mutantes. A melhor performer, a linhagem EMS1, cresceu significativamente mais rápido e produziu mais biomassa total do que o tipo selvagem. Ao final do experimento de duas semanas, a cultura EMS1 atingiu uma densidade de 2,47 gramas por litro, enquanto o tipo selvagem atingiu apenas 2,20 gramas por litro. Mais importante ainda, a linhagem EMS1 continha significativamente menos clorofila. Enquanto o tipo selvagem possuía cerca de 11 miligramas de clorofila por grama de biomassa seca, a mutante EMS1 continha apenas cerca de 6,29 miligramas. Essa redução de pigmento confirmou que a mutação alterou com sucesso a capacidade do organismo de colher luz, potencialmente permitindo que cresça de forma mais eficiente em culturas densas onde a penetração da luz é limitada.

Além de crescer mais rápido e ter menos pigmento verde, a linhagem mutante também mostrou promessa para a produção de materiais industriais valiosos. Os pesquisadores descobriram que a linhagem EMS1 armazenava mais lipídios, que são gorduras que podem ser convertidas em biocombustíveis, e mais carboidratos, que podem ser usados para outros produtos químicos. O conteúdo de lipídios na linhagem EMS1 subiu para 21 por cento de seu peso seco, comparado a 15 por cento no tipo selvagem. Da mesma forma, o conteúdo de carboidratos aumentou para 44 por cento do peso seco, acima dos 28 por cento da linhagem original. A quantidade de proteína nas células permaneceu aproximadamente a mesma em todos os grupos, indicando que a mutação especificamente impulsionou a produção de compostos de armazenamento de energia sem sacrificar os componentes estruturais básicos da célula.

O estudo conclui que este processo de mutação química é um método viável para melhorar linhagens de microalgas para produção em larga escala. A linhagem EMS1, com seu menor conteúdo de clorofila e maior rendimento de biomassa e substâncias químicas valiosas, representa um passo significativo à frente. Os pesquisadores planejam usar esta linhagem específica em experimentos futuros envolvendo fotobiorreatores de biofilme, sistemas onde as algas crescem em superfícies sólidas em vez de flutuarem livremente. Ao usar uma linhagem que permite que a luz viaje mais profundamente na cultura, eles esperam capturar dióxido de carbono de emissões industriais e convertê-lo em produtos de alto valor de forma mais eficiente, transformando um gás residual em um recurso com custos de cultivo menores.