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DNA recombinante e biologia sintética 

Elibio Rech

Mendel (1822‐1884)

Evolução dos Sistemas de Produção - Soja

Contribuição da EMBRAPA para a agricultura

Genética + Fixação de N + Melhoramento das práticas culturais

Agronegócio brasileiro

Movimenta cerca de 500 bilhões de reais/ano (33% do PIB)

Gera mais de 17 milhões de empregos (37% do total nacional)

Rende 30 bilhões de dólares em exportações (42% do total)

Segurança alimentar: um dos principais desafios deste século 

Atender às demandas crescentes decorrentes do crescimento da população global, a produção de alimentos, 

os impactos das mudanças climáticas e a escassez de água e terra

Reaping the benefits: science and the sustainable intensification of global agriculture; Sir David Baulcombe FRS, University of Cambridge, UK; Royal Society. October 2009.

• Embora as estatísticas indicam que as demanda de alimentos possa ser suprida com 

as tecnologias existentes, os números escondem a injustiça e a insustentabilidade da 

produção alimentar global atual

• IniquidadeEvidências de 1 bilhão de pessoas com fome. 

• Insustentabilidadeé uma realidade, porque os mais altos níveis de 

produtividade das culturas de alimentos em muitas regiões esgotam os estoques de recursos não renováveis, causa danos aos ecossistemas, e tem uma elevada emissão de carbono (através da depleção de carbono dos solos, a combustão de combustível e do custo energético da produção)

• Agricultura familiar

É toda unidade de produção dedicada, total ou parcialmente, a atividades agropecuárias, florestais e aqüícolas, subordinada a uma única administração: a do produtor ou a do 

administrador. 

População rural em mil habitantes:Em 2007 – 16,5%; em 1950 – 63,8%

Norte 3.630 11,6Nordeste 14.770 47,1Centro‐Oeste 1.789 5,7Sudeste 6.440 20,5Sul 4.739 15,1Brasil 31.368 100

Fonte: Censo Agropecuário: 1995/2006

Fonte: Censo Agropecuário: 1995/2006

O enorme e pouco conhecido potencial de pujança da agricultura familiar brasileira.

O estudo sugere uma mudança de paradigma cultural no que diz respeito ao meio rural, o avesso da tradição rural brasileira e exibe a existência de um novo e poderoso eixo de

desenvolvimento para o País

Sistemas de produção de soja convencional, orgânico e transgênico (GM) nos Estados Unidos da América,

são igualmente importantes e viáveis para a produção de soja em escala necessária para responder as

necessidades atuais e futuras?

Estudo comparou a sustentabilidade dos 3 sistemas de produção e identificou as estratégias que podem ser utilizadas com base no fator econômico e ambiental

Fonte: The Science Source for Food, Agricultural, and Environmental Issues. www.cast-science.com

Sistema de Produção (%)convencional (transgênico) 92convencional antigo (não-transgênico) 8orgânico 0.2

Sistemas de produção de soja Estados Unidos da América - 2009

Fonte: Council for Agricultural Science and Technology, USAEmail: cast@cast-science.org; CAST Website: www.cast-science.org

• rigorosos requisitos para o estabelecimento um sistema orgânico e regulamentos para manutenção pode exigir mais

empenho que muitos produtores estão e/ou estarão dispostos ou capazes de realizarem;

• o custo de produção é maior e os rendimentos são menores do que para um sistema de soja não-orgânica

• um excesso de oferta de soja orgânica deverá dissipar o preço mais elevado

Fonte: The Science Source for Food, Agricultural, and Environmental Issues. www.cast-science.com

O presente e o futuro antecipado para a produção de orgânicos em pequenas áreas cultivadas com soja nos Estados Unidos não

irá contribuir para a sustentabilidade a longo prazo e para a produção em geral

Entretanto será rentável para produtores que utilizem pequenas áreas.

O sistema orgânico será importante no abastecimento dos nichos de mercados

Fonte: The Science Source for Food, Agricultural, and Environmental Issues. www.cast-science.com

Area global de OGM’s Milhões de hectares (1996 a 2009)

Um recorde: 14 milhões produtores, em 25 países, plantaram 134 milhões de hectares em 2009, um crescimento sustentável de 7% ou 9 milhões de hectares comparado a 2008.Fonte: Clive James, 2010

Area global (Milhões de Hectares) de OGM’s, 2009: por país

Fonte: Clive James, 2010

Genoma Humano

Plantas transgênicas na agricultura

soja tolerante a herbicidas

Geração de evento elite de soja Desenvolvimento de cultivares de soja transgênica tolerantes a herbicidas (imidazolinonas) como opção para o mercado mundial. Balancear os sistema de rotação de sojaProdutores de sementes: 2010/11Produtores de grãos: 2011/12

BIDPI : Compositaes (picão-preto)SIDRH : Guanchuma (vassourinha)EPHHL : Euforbias

COMBE : Comelinas (Trapueraba)IPOGF : IpomeasCYPRO : Ciperáceas (titirica)

CIÊNCIA REGULATCIÊNCIA REGULATÓÓRIARIA

Abordagem para Avaliação de Segurançado Evento BPS‐CV127‐9

Data País (autoridade)Dezembro 2008 Brasil (CTNBio)

Janeiro 2009 Japão (MHLW)Janeiro 2009  Japão (MAFF‐Food) Janeiro 2009 Europa (EFSA)Janeiro 2009 USA (USDA‐Env & Feed)

Janeiro 2009 USA (FDA‐Food)

Fevereiro 2009 Canada (HC‐Food)Março 2009 Canada (CFIA‐Env)Abril 2009 Canada (CFIA‐Feed)Outubro 2009 Australia/ NZ (FSANZ)Outubro 2009 Japão (MAFF‐Feed)Dezembro 2009 Koreia (RDA, KFDA)Janeiro 2010 Koreia (NIER, NFRDI, KCDC)Fevereiro 2010 China (MOA)Fevereiro 2010  Philipinas (Industry Bureau)Maio 2010 Argentina (SENASA)

CV127 Soja: submissão comercial

Mexico Maio 2010

Taiwan Maio 2010

Argentina Maio 2010 (Conabia)

Australia/ NZ Q2/2010 (FSANZ) 

Colombia Q3/2010

Russia Q3/2010

India a ser definido

Paraguai a ser definido

Uruguai a ser definido

Bolivia  a ser definido

Africa do Sul a ser definido 

CV127 Soja: futura submissão comercial

O potencial estimado na redução de emissões de CO2 equivalente em função da introdução da soja

“Cultivance” (geneticamente modificadas tolerantes a herbicidas) setor produtivo

Fonte:EMBRAPA/BASF/PG Economics

- Examinada em termos de mudanças no volume (quantidade) de ingrediente ativo aplicado, mas é completada pelo uso de um indicador alternativo, o quociente de impacto ambiental (EIQ; Kovach et al., 1992).

- Atualizado anualmente, integra eficazmente os vários impactos ambientais dos pesticidas individuais em um único valor de campo "por hectare” . O valor EIQ é multiplicado pela quantidade de pesticida ingrediente ativo (ia) por hectare utilizado para produzir um campo de valor EIQ.

- O EIQ não leva em conta todos os problemas e impactos ambientais, não sendo portanto um indicador global.

Potencial de redução de combustível a partir da adoção da soja “Cultivance” (milhões de litros/ano)

linha de base é 2009‐10 área de plantio de cerca de 23,1 milhões

Potencial de redução de dióxido de carbono a partir da adoção da soja “Cultivance” (milhões de Kg/ano)

linha de base é 2009‐10 área de plantio de cerca de 23,1 milhões

- Cada hectare de Cultivance representará uma potencial de redução de 1,045 litros de combustível (2,87 Kg.ha-1 de redução da emissão de CO2) em relação à soja convencional e economia de combustível 0,5225/litro (1,435 kg ha-1 de redução de CO2) em relação a soja OGM (glifosato)

- Usando três cenários possíveis para a adoção (10/20/30%), o potencial de redução de combustível anual associada com a adoção de “soja Cultivance” esta em um intervalo de 1,2 a 7,2 milhões de litros/ano. A potencial de redução de emissão de CO2 resultante na atmosfera indica a faixa de 3,11 milhões kg e 19,9 milhões de kg/ano.

Produção de moléculas recombinantes em plantas genéticamente modificadas

utilizando a tecnologia do DNA recombinante visando setor farmacêutico e industrial

VSP = vacuolos de estocagem de proteínasCO = corpos de óleo

Seção de soja(100 X) lmicroscópio de luz

VSP

CO

Weeks after pollination

4321

human growth hormone

PCR

Seed developmental stages

Hormônio do crescimento humano

Análise da imunocitoquímica ultrastructural em sementes de soja geneticamente modificadas indicando o acúmulo correto do hormônico do crescimento humano

Detecção da sequencia do hormônio do crescimento humano produzidoem sementes de soja utilizando espectrometria de massa

Semana após a polinização

Fator de coagulação humana ‐ IX

PCR

Estágios de desenvolvimento da semente

4321

Fator de coagulação humana – FIX

Análise da imunocitoquímica ultrastrutural em sementes de soja geneticamente modificadas indicando o acúmulo correto do fator de coagulação humana

Detecção do fator de coagulação humana produzido em sementes de soja

utilizando espectrometria de massa

MICROBICIDA contra HIV

Microbicida recombinante cyanovirina

Análise da imunocitoquímica ultrastructural em sementes de soja geneticamente modificadas indicando o acúmulo correto do microbicida contra HIV

PSV PSV

PSV

OB

ANTÍGENOS CONTRA CÂNCER

Os antígenos CTAG, GAGE e PLAC1 constituemimportantes moléculas para o reconhecimento específico

de câncer pelo sistema imune em função da restrita expressão em tecidos normais, mas com ocorrência

frequente em diferentes tecidos cancerígenosThe promise of NY‐ESO‐1 as a candidate for specific immune recognitionof cancer comes from its restricted expression in normal tissues but frequentoccurrence in cancer

Expressão do antígeno CTAG contra câncer em 

plantas de tabaco

Moléculas contra HIV

+GFP

GFP

Extração e purificação dos medicamentos

Fonte: Nature, 466:554‐556, 2010

Biotecnologia e a biodiversidade

Agregação de valor da biotecnologia e biodiversidade. A figura mostra o possível comportamento Da dependência do valor associado como função do tempo, para um perído arbitrário de 10 anos.O gráfico (fig. 1) mostra a função vn(x)=100(x/10)n para variação de n, como uma ilustração paraos possíveis resultados. O gráfico (fig. 2) mostra a função vn(x)=100 -100(x/10)n para Variação de n, como os possíveis resultados

BIODIVERSIDADE

Genoma de aranhas da biodiversidade brasileira para a produção de

biopolímeros

Parawixia bistriatra minor ampullate spidroin (gene-bank: GQ275358)

GAGAGGGYGGGYGAGGGAGAGAGAGAGAGAGAGAGRGGAGGYGAGAGAGAGAAAAAAA

Melro & Rech 2010. J Mol Modelling, no prelo

Produção de fibra sintética da teia de aranha em Bactéria geneticamente modificada

Fibra  sintética da  teia da aranha  Parawixia bistriata

Fibra  sintética  recombinante  da teai  de  da  aranha  Nephila clavipes

Algodão transgênico

Algodão

Modificação do óleo de soja paraMelhoria do desempenho das misturas no biodiesele composições

Limitação do uso de soja é a instabilidadeoxidativa e resfriamento

Como aumentar a atratividade?Reduzir a expressão do gene Fad2-1e aumentar a expressão do gene da hydroxylaseisolado da mamona (Ricinus communis)

Bioenergia

Graef et al. Plant Biotechnology Journal 7: 411- 421, 2009

Gomord et al., Plant Biotechnology Journal (2010) 8, pp. 564–587

Gomord et al., Plant Biotechnology Journal (2010) 8, pp. 564–587

Rota metabólica da glicosilação de proteínas em plantas

Requerimentos gerais referentes às medidas de contenção de plantas utilizadas para a produção de

proteínas recombinantes para o setor farmacêutico e industrial.

Medidas específicas dependem da planta hospedeira, tipo de proteína, local de produção e práticas da

manipulação

Regulamentação/Biosegurança

Fonte: Spok et al., 2008. Trends in Biotech vol. 26 n.9

Diagrama geral para a produção de moléculas recombinantes (fármacos) em plantas

Condições para obtenção de permissão para a utilização de plantas para a produção de fármacos nos

Estados Unidos da América

Separação de plantas sexualmente compatíveis (e.g. 1,7 Km para plantas de polinização cruzada como o milho)

Distância de 25 m ao redor do cultivo.

Proibido o cultivo de plantas para alimentação humana e animal no ano seguinte

Equipamento segregado (não pode ser utilizado em cultivos para alimentação)

Submissão de procedimentos operacionais padrão requiredos, dependendo da categoria de risco a seguir:

- Pessoal envolvido no plantio de colheita;

- Infraestrutura de estocagem de sementes/folhas e equipamentos utilizados para manipulação;

- Limpeza, processamento e secagem das sementes;

- Tratores e acessórios

- Monitoramento de pessoal durante e após os experimentos de campo;

- Produtores e contratos. Annual;

- Programas de treinamento de pessoal envolvido;

- Auditoria dos experimentos;

- Inspeção in locus antes, durante e após a produção

Fonte: (Halsey et al. 2002)

Contenção no campo: estudo da dispersão de pólenVel ocidade do vento/direção direção (Halsey et al. 2002)

INOVAÇÃO OPERACIONAL

INTENSIFICAÇÃO SUSTENTÁVEL DA PRODUÇÃO

INTERAÇÃO ACERTIVA NORTE-SUL

TECNOLOGIAS INOVADORAS NECESSITAM DE ESTRATEGIAS MULTIDISCIPLINARES

INCREMENTO NO DESENVOLVIMENTO DOS PRODUTOS DE BASE TECNOLÓGICA

BASF Plant SciencesHemobrasInstituto ButantanLudwig Institute for Cancer ResearchNational Institute of Health St’s George Hosp Med Sch, Univ London Universidade de Brasilia Universidade de CampinasUniversidade de São PauloUniversity of Wyoming