Resumo. A bioinformática tem se consolidado como uma ferramenta essencial para a prospecção e caracterização de microrganismos com potencial biotecnológico. No contexto agrícola, a crescente demanda por alimentos convive com práticas que impactam negativamente o meio ambiente, enquanto, no contexto farmacêutico, busca-se a produção de biomoléculas eficazes contra patógenos cada vez mais resistentes aos medicamentos tradicionais. A descoberta de novas bactérias que auxiliem nesses processos é, portanto, fundamental, mas as abordagens tradicionais mostram-se ineficazes, exigindo grandes quantidades de tempo e recursos, dando luz ao Sequenciamento de Nova Geração (NGS). Diante desse cenário, neste trabalho foram conduzidas análises comparativas e funcionais de genomas sequenciados de Bacillus paralicheniformis, uma espécie bacteriana emergente, produtora de metabólitos com potencial biotecnológico e reconhecida como promotora do crescimento de plantas (PGPB). O estudo teve como foco entender melhor a espécie do ponto de vista filogenômico e comparativo, além da caracterização de isolados, com identificação de genes relacionados à síntese de metabólitos secundários, mecanismos de defesa e metabolismo do nitrogênio. Além disso, buscou-se evidenciar como a bioinformática se mostra cada vez mais confiável na identificação e triagem de novos microrganismos, além da contribuição para o avanço de práticas agrícolas sustentáveis e para o enfrentamento de desafios globais, como a fome e a degradação ambiental.
Gabriel Camargos Gomes 1
, Eduarda Guimarães Sousa 1, Eric Guédon 2, Vasco Azevedo1*
Palavras-chave: Agricultura; NGS; Genômica; Bacillus; Biotecnologia;
1. Introdução
A crescente demanda por práticas agrícolas sustentáveis tem impulsionado a busca por alternativas biotecnológicas que reduzam a dependência de fertilizantes e defensivos químicos. Nesse contexto, microrganismos do gênero Bacillus destacam-se como promotores de crescimento vegetal (PGPR), capazes de sintetizar metabólitos que favorecem a nutrição e a defesa das plantas [1]. Entretanto, devido à alta similaridade genômica entre espécies do gênero, métodos tradicionais, como o MALDI-TOF, apresentam limitações na diferenciação em nível de espécie e subespécie. Em contrapartida, o Sequenciamento de Nova Geração (NGS) tem se mostrado uma ferramenta de destaque na identificação e caracterização de novas linhagens, impulsionado pela redução de custos e pela crescente disponibilidade de genomas depositados em bancos de dados públicos, como o National Center for Biotechnology Information (NCBI) [2]. Essa expansão tem permitido o uso de softwares comparativos que integram dados evolutivos e genômicos, fornecendo classificações taxonômicas mais precisas.
Uma espécie emergente desse gênero, Bacillus paralicheniformis, tem despertado interesse por sua diversidade genética e potencial de aplicação na agricultura e na indústria. Com o avanço das ferramentas de bioinformática e do sequenciamento genômico, tornou-se possível explorar o potencial funcional de novas linhagens com maior precisão, revelando genes associados a vias metabólicas de interesse agronômico e farmacêutico.
2. Desenvolvimento da pesquisa
Sintetizado na Figura 1, foram identificadas e posteriormente caracterizadas duas linhagens isoladas de Bacillus paralicheniformis (Denominadas como BAC30 e BAC220) a partir do NGS, e depois incluídas com outros genomas da espécie, obtidos pelo NCBI para análises comparativas. As análises filogenômicas e pangenômicas indicaram elevada similaridade entre as linhagens, salientando a dificuldade de identificação de exemplares do gênero Bacillus. Além disso, análises pangenômicas mostraram um padrão genético com alta porcentagem de genes essenciais e singulares, e poucos genes compartilhados, além de um pangenoma aberto, evidenciando um padrão cosmopolita da espécie, hipotetizando um comportamento de co-evolução com hospedeiros, como plantas e animais. Quanto aos isolados, foi notada a presença de genes relacionados à biossíntese de vitaminas do complexo B e antibióticos naturais, como a riboflavina e a bacitracina. A anotação funcional identificou módulos completos de resistência a β-lactâmicos, rotas de assimilação de nitrogênio e síntese de siroheme, além de clusters de genes envolvidos na produção de metabólitos não ribossomais. Esses resultados reforçam a versatilidade metabólica da espécie e sua capacidade de adaptação a diferentes nichos ecológicos. Do ponto de vista aplicado, a caracterização genômica de cepas de Bacillus paralicheniformis contribui para a prospecção de novas linhagens com potencial uso em biofertilizantes, biocontroladores e biorremediadores, reduzindo impactos ambientais e promovendo maior eficiência agrícola.
Figura 1. Principais resultados à partir das análises comparativas e funcionais dos isolados BAC30 e BAC220
3. Implicações do estudo para práticas sustentáveis
A identificação de genes relacionados à fixação de nitrogênio implica em um maior aproveitamento e conversão de nitratos e nitritos no solo, reduzindo a dependência de fertilizantes químicos sintéticos, um dos principais vetores de poluição agrícola e de emissões de gases de efeito estufa [3]. Além disso, a presença de genes associados à síntese de bacitracina e outros peptídeos não ribossomais (NRPs) demonstra o potencial antimicrobiano natural dessas linhagens, favorecendo o controle biológico de patógenos vegetais e reduzindo a necessidade de pesticidas e antibióticos artificiais. Quanto à produção de siroheme, sua síntese por bactérias representa uma alternativa livre de crueldade animal às fontes tradicionais obtidas de sangue [4], com aplicações promissoras nas indústrias alimentícia e farmacêutica. A combinação desses fatores, aliada à produção de vitaminas do complexo B, evidencia o potencial biotecnológico de Bacillus paralicheniformis como uma espécie capaz de contribuir para a agricultura regenerativa, reduzindo o impacto ambiental causado por fertilizantes e pesticidas, além de viabilizar o desenvolvimento de bioprodutos éticos e economicamente sustentáveis. Assim, este estudo reforça a importância do NGS não apenas como padrão-ouro para a identificação de novas linhagens de B. paralicheniformis, mas também como ferramenta essencial para a caracterização e aplicação racional de microrganismos em soluções biotecnológicas voltadas à sustentabilidade global. Entretanto, como a abordagem adotada baseia-se exclusivamente em análises in silico, estudos complementares in vitro e in vivo ainda são necessários para confirmar a expressão funcional destes genes e validar o potencial biotecnológico das linhagens BAC30 e BAC220.
Agradecimentos. Os autores agradecem às agências de fomento à pesquisa: CAPES, CNPq e Fapemig.
4. Referências
[1] Du Y, Ma J, Yin Z, Liu K, Yao G, Xu W, Fan L, Du B, Ding Y, Wang C (2019) Comparative genomic analysis of Bacillus paralicheniformis MDJK30 with its closely related species reveals an evolutionary relationship between B. paralicheniformis and B. licheniformis. BMC Genomics 20(1):283. https://doi.org/10.1186/s12864-019-5646-9
[2] Land, M., Hauser, L., Jun, S.-R., Nookaew, I., Leuze, M. R., Ahn, T.-H., Karpinets, T., Lund, O., Kora, G., Wassenaar, T., Poudel, S., & Ussery, D. W. (2015). Insights from 20 years of bacterial genome sequencing. Functional & Integrative Genomics, 15(2), 141–161. https://doi.org/10.1007/s10142-015-0433-4
[3] Ahmed M, Rauf M, Mukhtar Z, Saeed NA (2017) Excessive use of nitrogenous fertilizers: an unawareness causing serious threats to environment and human health. Environ Sci Pollut Res 24(35):26983–26987. https://doi.org/10.1007/s11356-017-0589-7
[4] Yang S, Wang A, Li J, Shao Y, Sun F, Li S, Cao K, Liu H, Xiong P, Gao Z (2023) Improved biosynthesis of heme in Bacillus subtilis through metabolic engineering assisted fed-batch fermentation. Microb Cell Fact 22(1):102. https://doi.org/10.1186/s12934-023-02077-3