A carteira de identidade da vida

Um pequeno trecho do genoma das mitocôndrias presentes nos seres vivos é capaz de distinguir espécies com alto grau de precisão. Em sua coluna deste mês, Jerry Borges fala sobre esse método, denominado código de barras de DNA, e suas aplicações.

Por: Jerry Carvalho Borges

Publicado em 01/04/2011 | Atualizado em 07/04/2011

A metodologia conhecida como código de barras de DNA permite fazer identificações taxonômicas por meio da análise de uma sequência genética específica. (imagem: Sofia Moutinho)

A série de ficção científica Jornada nas Estrelas, criada no início da década de 1960 pelo escritor norte-americano Eugene ‘Gene’ Roddenberry (1921-1991), antecipou várias descobertas e inovações tecnológicas. Uma delas é bastante lembrada atualmente: um aparelhinho denominado ‘tricorder’.
Essa engenhoca era usada para examinar e identificar formas de vida alienígenas a partir de amostras coletadas. Com pedacinhos de pêlos, escamas ou outra coisa qualquer era possível saber se um lagarto, um monstro peludo ou outra forma de vida alienígena havia passado pelas redondezas.

Cinco décadas depois, vários laboratórios mundo afora têm se dedicado a desenvolver uma tecnologia que se utiliza de amostras mínimas presentes na terra, na água ou em locais menos ortodoxos como as fezes e carcaças de animais para identificar a presença de formas vivas.
Esses cientistas procuram mitocôndrias, organelas celulares usadas na produção de energia. Essas estruturas descendem de bactérias que estabeleceram residência no interior celular há cerca de 2 milhões de anos e são conhecidas por manter dentro de si um genoma bastante modesto. Elas contam com um repertório de apenas 37 genes, número muito pequeno se comparado aos mais de 25 mil genes presentes no núcleo de nossas células.
Dentro do genoma mitocondrial, há uma região com 648 nucleotídeos que tem informações para a síntese da enzima citocromo C oxidase (COI), associada aos passos finais da respiração celular. Esse pequeno trecho pode ser usado para distinguir espécies próximas, como humanos e chimpanzés. Além disso, pode auxiliar na classificação de novas espécies e facilitar a separação de populações animais classificadas – sobretudo por meio de características anatômicas – como uma única espécie.

As mitocôndrias, organelas celulares usadas na produção de energia, abrigam uma região em seu genoma capaz de identificar de forma única diferentes espécies. (foto: Louisa Howard)

Um exemplo recente dessa aplicação é a borboleta Astrapes fulgerator. Após a análise dessa região gênica, essa pequena borboleta azulada teve as várias de suas populações, que habitam ambientes separados e têm comportamentos e dietas distintos, subdivididas em dez espécies diferentes.

Código de barras genético

Esse trecho do genoma mitocondrial é usado em uma metodologia chamada código de barras de DNA (ou, em inglês, DNA barcode). O termo é uma denominação recente de uma metodologia usada há algum tempo que se vale de uma sequência específica de DNA na tentativa de se fazer identificações taxonômicas. Na verdade, essa terminologia nem é tão nova, pois foi usada pela primeira vez em 1993 por David Arnot, da Universidade de Edinburgo (Escócia), em um trabalho científico de pouca repercussão.

A ‘era de ouro’ dos estudos com o código de barras de DNA iniciou-se em 2003, após a publicação de pesquisas coordenadas por Paul Hebert, da Universidade de Guelph (Canadá). Posteriormente, vários grupos de pesquisa passaram a utilizar essa região gênica para a realização de suas análises e se estabeleceu um consórcio internacional (denominado Barcode of Life Initiative) para incentivar, coordenar análises e criar padrões metodológicos para pesquisas sobre código de barras de DNA.
A especificidade desse método, embora variável entre os diferentes grupos animais analisados, é bastante elevada: é possível separar corretamente cerca de 97% das análises realizadas.

Quatro diferentes espécies de mariposas identificadas a partir de análises de código de barras de DNA. (fotos: Wilson JJ et al/ CC BY 3.0)

Apesar disso, muitos dos adversários da utilização do código de barras de DNA afirmam que a classificação de qualquer espécie viva (ou não!) pode ser realizada por meio dos métodos tradicionais da sistemática ou taxonomia, com o auxílio ocasional de uma análise mais extensa do genoma do animal a ser classificado.
Os adeptos do emprego do código de barras, por sua vez, argumentam e enfatizam a efetividade do método que, mesmo utilizando porções reduzidas de DNA, é capaz de produzir informações suficientes para definir a classificação de amostras ao nível de espécie. Além disso, essa metodologia tem a facilidade de utilizar amostras muito diminutas.
Mas esse método enfrenta alguns problemas. Primeiro, depende do estabelecimento de coleções confiáveis com amostras das espécies a serem avaliadas, uma vez que as análises são feitas por comparação com amostras previamente depositadas.
Para plantas, o uso da tecnologia do código de barras de DNA ainda é controverso. Diversas estratégias têm sido propostas, utilizando-se uma região única do DNA dos cloroplastos ou uma combinação de diversas regiões.

Um identificador sem igual

A escolha da região do DNA mitocondrial associada à síntese da enzima COI para as análises é normalmente feita porque permite a obtenção de resultados melhores do que outros locais.

Pesquisadores da área dizem que COI tem características específicas que a tornam um ótimo alvo para as pesquisas de código de barras de DNA. Uma delas é o fato de essa enzima ter assumido as suas formas atuais no período em que as espécies derivaram de seu ancestral comum. É provável, segundo alguns cientistas, que essa região gênica tenha alguma relação direta ou indireta com essa especiação ou com a incompatibilidade reprodutiva entre indivíduos em processo de diferenciação.
Por definição, a região usada nas análises dos códigos de barra de DNA se constitui em um identificador único. Entre dois homens, por exemplo, ela varia em apenas cerca de duas posições. Já entre a nossa espécie e os chimpanzés ocorrem diferenças em 60 posições e entre nós e os gorilas, mais distantes filogeneticamente, há 70 diferenças. Esse mesmo padrão é encontrado entre as centenas de milhares de espécies já analisadas.
Os taxonomistas não são os únicos que podem se beneficiar da tecnologia do código de barras de DNA.
Engenheiros alimentares e outros profissionais da área podem empregar o método para avaliar a qualidade dos alimentos e verificar contaminações por patógenos. Uma pesquisa nessa área, por exemplo, indicou que 23% das amostras de caviar negro vendidas nos Estados Unidos estavam rotuladas erroneamente indicando que o produto havia sido retirado de outra espécie, algumas – como o Acipenser sturgeon – ameaçadas de extinção.

Ecólogos têm usado o método do código de barras de DNA em fezes de animais para avaliar a distribuição de tigres-siberianos – felinos ameaçados de extinção – na Ásia. (foto: Malene Thyssen/ CC BY-SA 3.0)

Ecólogos, por sua vez, têm utilizado a capacidade analítica do código de barras de DNA para, a partir de amostras de fezes, mensurar o grau de expansão de espécies invasoras como a rã-touro ou de populações de lobos na Europa ou a distribuição de leopardos da Manchúria e de tigres-siberianos na Ásia – ambos ameaçados de extinção.

Outros cientistas usam o código de DNA para a identificação de espécies de difícil classificação, como formas larvais de mosquitos transmissores de doenças ou de nematódeos, pragas de culturas comerciais. Ainda há pesquisas que monitoram o comércio ilegal de produtos animais, como peles ou carne de espécies ameaçadas.

Material coletado em sítios arqueológicos e em cavernas pode dar pistas de seres que viveram anteriormente nesses locais. Por exemplo: análises de código de barras de DNA de amostras retiradas de sedimentos siberianos têm indicado que a região era habitada no passado por mamutes, bois almiscarados (Ovibos moschatus), veados e lemingues (Lemmus lemmus).
Amostras de água ou de solo têm sido usadas para análises de biodiversidade. A vantagem do exame dessas amostras por meio do código de barras de DNA é o seu baixo custo e a facilidade metodológica, aliados com a necessidade de coleta de pouco material para análise e a obtenção de resultados bastante amplos.
Os resultados obtidos em menos de uma década de pesquisas com código de barras de DNA indicam que essa poderosa metodologia irá nos brindar com pistas essenciais para podermos solucionar vários dos mistérios da natureza. E talvez, daqui a algum tempo, todos teremos nosso próprio tricorder para analisar o mundo que nos cerca.

Jerry Carvalho BorgesDepartamento de Medicina Veterinária
Universidade Federal de Lavras
Este texto foi atualizado para incluir a seguinte alteração:

No quarto parágrafo, afirmava-se que as mitocôndrias descendem de bactérias que estabeleceram residência no interior celular há cerca de 2 milhões de anos. O correto, no entanto, é 2 bilhões de anos, como alertou o leitor Leo Fiusa. (7/3/2011)

Sugestões para leitura:
Arnot, D.E. et al. (1993). Digital codes from hypervariable tandemly repeated DNA sequences in the Plasmodium falciparum circumsporozoite gene can genetically barcode isolates. Mol. Biochem. Parasitol. 61, 15–24
Chase, M.W. et al. (2007). A proposal for a standardised protocol to barcode all land plants. Taxon 56, 295–299
 Ficetola, G.F. et al. (2008). Species detection using environmental DNA from water samples. Biol. Lett. 4, 423–425
Floyd, R. et al. (2002). Molecular barcodes for soil nematode identification. Mol. Ecol. 11, 839–850
Hebert, P.D.N. et al. (2003). Barcoding animal life: cytochrome c oxidase subunit 1 divergences among closely related species. Proc. Biol. Sci. 270, S96–S99
Neher, D.A. (2001). Role of nematodes in soil health and their use as indicators. J. Nematol. 33, 161–168
Sugimoto, T. et al. (2006). Species and sex identification from faecal samples of sympatric carnivores, Amur leopard and Siberian tiger, in the Russian Far East. Conserv. Genet. 7, 799–802
Valie`re, N. et al. (2003). Long distance wolf recolonization of France and Switzerland inferred from non-invasive genetic sampling over a period of 10 years. Anim. Conserv. 6, 83–92