The growth characteristics and metabolic profiling of Δ 5,7 -sterols and fatty acids in Schizochytrium sp. S31 under different culture conditions

Nas profundezas do mundo microscópico do oceano, um grupo de organismos unicelulares conhecidos como traustocitrídeos desempenha um papel silencioso, mas vital. Esses minúsculos heterótrofos, que não conseguem produzir seu próprio alimento como as plantas, mas em vez disso consomem matéria orgânica, atuam como recicladores essenciais nos ecossistemas marinhos. Eles decompõem o material morto e contribuem para o ciclo do carbono, mas recentemente capturaram a atenção de cientistas por um motivo diferente: sua capacidade de fabricar nutrientes de alto valor. Entre esses nutrientes estão os ácidos graxos de cadeia longa, como o ácido docosahexaenoico (DHA), que é crucial para a saúde do cérebro e do coração humano, e os esteróis, que são moléculas cerosas que ajudam a construir e estabilizar as membranas celulares. Alguns desses organismos também produzem astaxantina, um pigmento antioxidante poderoso que dá aos salmões e flamingos sua cor rosa. O desafio para os pesquisadores tem sido entender como induzir essas fábricas microscópicas a produzir esses compostos valiosos de forma eficiente, já que sua produção depende fortemente do ambiente em que são cultivados.

Uma equipe de pesquisadores partiu para mapear as condições ambientais precisas necessárias para maximizar a produção desses três compostos distintos em uma cepa específica de traustocitrídeo chamada Schizochytrium sp. S31. Eles focaram em três variáveis principais: a quantidade de açúcar (glicose) disponível como alimento, a salinidade da água (salinidade) e o nível de acidez (pH). Ao ajustar sistematicamente cada um desses fatores em laboratório, eles observaram como as células cresciam e como sua composição química interna mudava. O objetivo não era apenas cultivar mais células, mas encontrar o "ponto ideal" onde o organismo produziria simultaneamente altas quantidades de esteróis, DHA e astaxantina, em vez de apenas um em detrimento dos outros.

Os pesquisadores descobriram que, embora o açúcar e a acidez importassem, a salinidade da água era a alavanca mais poderosa para alterar o perfil químico da célula. Quando a cultura era cultivada em condições de baixo sal, especificamente em uma concentração de 10 gramas de sal marinho por litro, as células atingiam seus níveis mais altos de ácidos graxos totais e DHA. Nesse ambiente, um tipo específico de esterol chamado ergosterol constituía a maior parte do conteúdo de esterol da célula, representando 41 por cento. No entanto, à medida que a concentração de sal aumentava, as células mudavam sua estratégia. Elas começavam a produzir um tipo diferente de esterol, conhecido como C28-Δ5,7, que se tornou a forma dominante sob maior salinidade. Essa mudança sugere que as células estão remodelando ativamente sua estrutura interna para sobreviver ao estresse de um ambiente mais salino, tal como uma pessoa que ajustaria suas roupas quando o tempo muda.

O estudo também revelou que as células têm um limite para o quanto de açúcar podem processar. A quantidade máxima de biomassa, ou peso celular total, foi alcançada quando a cultura continha 60 gramas de glicose por litro. Adicionar mais açúcar além desse ponto não ajudou as células a crescerem; na verdade, dificultou levemente o seu crescimento, provavelmente porque a alta concentração de açúcar criou um estresse físico que tornou mais difícil para as células absorverem nutrientes. Curiosamente, a relação entre os diferentes nutrientes era complexa. Enquanto baixos níveis de sal impulsionavam a produção de ácidos graxos e DHA, eles na verdade suprimiam a produção de astaxantina. Por outrooso, níveis mais altos de sal pareciam encorajar um ligeiro aumento na astaxantina, mesmo quando os níveis de DHA caíam. Isso indica que as vias que as células usam para fazer essas substâncias estão ligadas, mas podem ser puxadas em direções diferentes dependendo do ambiente.

Para entender a maquinaria por trás dessas mudanças, os pesquisadores observaram a atividade genética dentro das células sob diferentes condições de sal. Eles descobriram que, quando o nível de sal era baixo, as células intensificavam um processo chamado beta-oxidação, que quebra ácidos graxos para gerar energia e blocos de construção. Esse surto de atividade fornecia um excesso de acetil-CoA, uma molécula fundamental que alimenta as linhas de produção tanto de esteróis quanto de DHA. No entanto, as células também reduziam os genes responsáveis pelas etapas finais de produção de astaxantina. Esse ajuste fino genético explica por que as células podiam produzir tanto DHA e esteróis em baixo sal, mas seguravam a produção de astaxantina. O estudo identificou genes específicos que poderiam ser alvos para engenharia futura, sugerindo que o organismo tem o potencial de produzir outros esteróis valiosos, como colesterol e estigmasterol, se as condições certas fossem atendidas.

O resultado mais bem-sucedido do estudo ocorreu quando os pesquisadores combinaram os níveis ótimos de todos os três fatores: 60 gramas de glicose, 10 gramas de sal marinho e um pH de 5,5. Sob essas condições específicas, a cultura atingiu uma densidade celular máxima de 17,4 gramas por litro. Mais importante ainda, esse ambiente permitiu a acumulação simultânea dos três compostos alvo. As células produziram 50,73 miligramas de Δ5,7-esteróis totais por litro, 1.097 miligramas de DHA por litro e 0,11 miligramas de astaxantina por litro. Esses resultados demonstram que é possível guiar uma única cepa microbiana para coproduzir múltiplos bioativos de alto valor, em vez de forçar uma escolha entre eles.

Este trabalho fornece um roteiro claro de como cultivar essas fábricas microscópicas. Ao compreender que os níveis de sal atuam como um interruptor primário para o tipo de esteróis produzidos, e que os níveis de açúcar ditam o limite de crescimento total, os cientistas podem projetar melhor os processos de fermentação. As descobertas sugerem que as vias metabólicas para a produção de gorduras, esteróis e pigmentos estão profundamente interconectadas, respondendo ao estresse ambiental de forma coordenada. Embora o estudo tenha se concentrado em uma única cepa em um ambiente controlado, os insights obtidos oferecem uma base para o desenvolvimento de métodos mais eficientes para colher esses nutrientes, que são cada vez mais importantes para a saúde humana e aplicações industriais. A pesquisa confirma que, com as pistas ambientais corretas, essas pequenas células podem ser induzidas a se tornar fontes altamente produtivas de nutrientes essenciais.