Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis (Bt) é uma bactéria gram-positiva que tem se destacado no controle biológico de pragas agrícolas. Recebeu esse nome em homenagem à cidade alemã de Thuringia, onde foi isolado pela primeira vez em 1911.

• Domínio: Bacteria

• Filo: Firmicutes

• Classe: Bacilli

• Ordem: Bacillales

• Família: Bacillaceae

• Gênero: Bacillus

• Espécie: Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis possui diversas subespécies e estirpes, cada uma com características específicas que determinam sua eficácia contra diferentes insetos-praga. Algumas delas:

• B. thuringiensis var. kurstaki: produz proteínas Cry ativas contra lagartas de Lepidoptera.

• B. thuringiensis var. israelensis: produz proteínas Cry e Cyt eficazes contra larvas de mosquitos e simulídeos.

• B. thuringiensis var. tenebrionis: ativa contra besouros (Coleoptera).

• B. thuringiensis var. aizawai: utilizada no controle de pragas como traças e lagartas resistentes a outras estirpes de Bt.

Além disso, cada subespécie pode apresentar várias estirpes, que diferem em termos de eficácia, espectro de ação e condições ideais de uso.

Biologia

Bacillus thuringiensis é uma bactéria encontrada naturalmente no solo, em ambientes aquáticos. E até mesmo em folhas e superfícies vegetais.

Formar esporos resistentes, que permitem sua sobrevivência em condições adversas, como altas temperaturas e períodos de seca.

Durante o processo de esporulação, o Bt produz cristais proteicos conhecidos como proteínas Cry ou δ-endotoxinas, responsáveis por sua ação inseticida.

• Proteínas Cry: responsáveis pela toxicidade específica contra insetos. Existem centenas de variantes dessas proteínas, cada uma direcionada a diferentes grupos de insetos (Lepidoptera, Diptera, Coleoptera etc.).

• Proteínas Cyt: atuam como citolisinas, auxiliando na destruição das células epiteliais do intestino dos insetos-alvo.

Esses cristais permanecem inertes no ambiente até serem ingeridos por insetos suscetíveis. No intestino alcalino desses insetos, enzimas digestivas ativam as proteínas Cry, que então ligam-se às células epiteliais do intestino, causando danos irreversíveis e levando à morte do inseto.

Bacillus thuringiensis consiste em bactéria heterotrófica: obtém energia e nutrientes a partir da decomposição de matéria orgânica presente no solo, água e superfícies vegetais. Pode crescer tanto em condições aeróbicas quanto anaeróbicas, embora seu crescimento ideal ocorra em ambientes com oxigênio disponível.

O ciclo de vida do Bt pode ser dividido em duas fases principais:

• Fase vegetativa: a bactéria está ativa e se multiplica rapidamente em ambientes ricos em nutrientes, como substratos orgânicos em decomposição.

• Fase de esporulação: quando as condições ambientais se tornam desfavoráveis (como falta de nutrientes ou estresse hídrico), o Bt entra na fase de esporulação. Durante esse processo, a bactéria sintetiza os cristais proteicos (proteínas Cry e Cyt) e forma endósporos extremamente resistentes.

Os esporos podem permanecer dormentes no ambiente por longos períodos, aguardando condições adequadas para germinar e reiniciar o ciclo de vida.

Conforme estudos científicos, essas proteínas são altamente seletivas, afetando apenas insetos pertencentes a ordens específicas, como Lepidoptera (lagartas), Diptera (moscas e mosquitos) e Coleoptera (besouros).

Proteínas Cry

As proteínas Cry são cristalinas e pertencem à família das proteínas protoxinas. Sintetizadas na forma inativa (protoxina), tornam-se tóxicas apenas após processadas no intestino dos insetos-alvo. Atualmente, mais de 700 genes cry foram identificados, classificados em famílias e subclasses com base em sua estrutura molecular e especificidade para diferentes grupos de insetos.

As principais famílias de proteínas Cry incluem:

• Cry1: ativas contra Lepidoptera.

• Cry2: eficazes contra Lepidoptera e Diptera.

• Cry3: direcionadas a Coleoptera.

• Cry4 e Cry11: específicas para larvas de mosquitos e simulídeos (Diptera).

O mecanismo de ação das proteínas Cry envolve várias etapas sequenciais:

• Ingestão pelo inseto: quando um inseto suscetível ingere folhas ou substratos tratados com esporos e cristais de Bt, as proteínas Cry são liberadas no intestino.

• Ativação por enzimas digestivas: no ambiente alcalino do intestino do inseto, enzimas proteolíticas (como tripsina e quimotripsina) clivam as protoxinas Cry, convertendo-as em toxinas ativas de menor tamanho.

• Ligação aos receptores intestinais: as toxinas ativas ligam-se especificamente a receptores presentes nas células epiteliais do intestino do inseto. Essa ligação é altamente específica e depende da presença de receptores adequados, o que explica a seletividade das proteínas Cry.

• Formação de poros e dano celular: após a ligação, as toxinas inserem-se na membrana celular, formando poros que permitem a entrada de íons e água. Isso causa desequilíbrio osmótico, rompimento das células intestinais e morte do inseto por parada da alimentação, infecção secundária ou desidratação.

Proteínas Vip

Diferentemente das famosas proteínas Cry, produzidas durante a fase de esporulação da bactéria, as proteínas Vip são secretadas continuamente durante a fase vegetativa de crescimento, daí o nome "Vegetative Insecticidal Proteins".

Sua descoberta expandiu significativamente o potencial biotecnológico do Bacillus thuringiensis, oferecendo novos mecanismos de ação e espectros de atividade inseticida que complementam as proteínas Cry já estabelecidas no mercado.

As proteínas Vip são organizadas em quatro famílias principais, cada uma com características estruturais e especificidades distintas:

• Família Vip1: compreende proteínas com atividade principalmente contra insetos coleópteros (besouros) e alguns hemípteros. Estas proteínas atuam como componentes de toxinas binárias, necessitando da presença de proteínas Vip2 para exercer sua atividade tóxica completa.

• Família Vip2: funciona como componente complementar das proteínas Vip1, formando complexos tóxicos binários. Embora não apresente atividade inseticida independente, é essencial para a função das proteínas Vip1.

• Família Vip3: esta é a família mais estudada e comercialmente relevante, com atividade específica contra insetos lepidópteros (lagartas). As proteínas Vip3 atuam de forma independente, não necessitando de parceiros para exercer sua atividade inseticida.

• Família Vip4: família mais recentemente descoberta, ainda com poucos estudos sobre seu mecanismo de ação e potencial aplicativo, mas com indicações de atividade contra lepidópteros.

O mecanismo de ação das proteínas Vip varia conforme a família, mas segue princípios gerais bem estabelecidos. Para as proteínas Vip3, que são as mais utilizadas comercialmente, o processo inicia-se com a ingestão da proteína pelo inseto-alvo durante a alimentação.

No intestino médio do inseto, as proteínas Vip3 são ativadas por proteases específicas, sofrendo clivagem que expõe domínios ativos. Estas proteínas ativadas ligam-se especificamente a receptores localizados na membrana das células epiteliais do intestino médio, incluindo receptores como caderina, aminopeptidase N e fosfatase alcalina.

Após a ligação aos receptores, as proteínas sofrem mudanças conformacionais que permitem sua inserção na membrana celular, formando poros oligoméricos. Estes poros alteram drasticamente a permeabilidade da membrana, causando desequilíbrio osmótico, lise celular e eventual paralisia do sistema digestivo. O inseto para de se alimentar e morre por septicemia dentro de 2-5 dias.

Uma das características mais valiosas das proteínas Vip é sua alta especificidade. As proteínas Vip3, por exemplo, são altamente tóxicas para lepidópteros, incluindo pragas economicamente importantes como:

• Spodoptera frugiperda

• Helicoverpa armigera

• Heliothis virescens

• Ostrinia nubilalis

• Diatraea saccharalis

Esta especificidade é resultado da co-evolução entre as proteínas Bt e seus hospedeiros-alvo, garantindo que organismos não-alvo, incluindo insetos benéficos, mamíferos e outros vertebrados, não sejam afetados.

Uso para controle de pragas agrícolas

O uso de Bacillus thuringiensis no controle de pragas agrícolas revolucionou a agricultura sustentável. Ele é amplamente utilizado na forma de bioinseticidas, disponíveis tanto para aplicação direta nas culturas quanto incorporados em sementes geneticamente modificadas (como as variedades Bt de milho e algodão).

Alguns dos usos:

• Controle de lagartas: Bt é altamente eficaz contra lagartas que atacam culturas como soja, milho, algodão e hortaliças. As proteínas Cry paralisam o sistema digestivo das larvas, impedindo sua alimentação e causando sua morte.

• Sementes Bt: no caso de culturas como soja, milho e algodão, plantas geneticamente modificadas contendo genes do Bt produzem as proteínas Cry, conferindo resistência a pragas como a lagarta-do-cartucho (Spodoptera frugiperda) e o bicudo-do-algodoeiro (Anthonomus grandis).