Uma grama de solo fértil, podem existir até dez bilhões de células microbianas, compondo uma das maiores reservas de biodiversidade do planeta.
No entanto, menos de 1% desses microrganismos já foi cultivado em laboratório, limitando o acesso a metabólitos, genes e funções que poderiam ampliar as possibilidades de desenvolvimento de bioinsumos agrícolas.
Essa discrepância, conhecida como “anomalia da grande contagem em placas”, desafia a microbiologia há décadas e evidencia o quanto ainda há para ser descoberto no microbioma do solo.
A relevância desse universo oculto é crescente, especialmente diante da busca por soluções biológicas inovadoras para o manejo sustentável de culturas. O avanço das técnicas moleculares, como a metagenômica e a genômica de célula única (single-cell genomics), está permitindo acessar informações genéticas e funcionais de microrganismos até então invisíveis à ciência, ampliando as possibilidades de bioprospecção para novos bioinsumos.
Neste conteúdo, serão abordados os conceitos de microrganismos não cultiváveis, as razões pelas quais permanecem inacessíveis aos métodos tradicionais, as técnicas que estão superando essas barreiras e o potencial desse conhecimento para a próxima geração de bioinsumos agrícolas.
Ficha rápida: microrganismos não cultiváveis
| O problema | Estima-se que menos de 1% dos microrganismos do solo forme colônias em meios de cultura convencionais: é a anomalia da grande contagem em placas (great plate count anomaly), termo cunhado em 1985 |
| Densidade microbiana | Até 10 bilhões de células microbianas por grama de solo fértil |
| VBNC (viable but non-culturable) | Células viáveis, mas não cultiváveis: ativas, porém incapazes de se dividir em meio de cultura convencional |
| Matéria escura microbiana Matéria escura microbiana (microbial dark matter) | Grupos filogenéticos identificados apenas por DNA ambiental, sem células cultivadas |
| Grupo CPR (Candidate Phyla Radiation) | Pode reunir mais de 70 linhagens em nível de filo, identificadas principalmente por métodos independentes de cultivo; pouquíssimos representantes foram cultivados, apenas em cocultura |
| Principais técnicas | Metagenômica (MAGs), genômica de célula única (MDA), cocultivo e câmaras de difusão |
| Potencial para bioinsumos | Novos antibióticos, antifúngicos, elicitores; organismos associados à fixação de nitrogênio, solubilização de fósforo, sideróforos |
| Perspectiva regulatória | A Lei nº 15.070/2024 é o marco legal dos bioinsumos; a regulamentação complementar do Mapa ainda está em elaboração |
Principais pontos
- Estima-se que menos de 1% dos microrganismos do solo forme colônias em meios de cultura convencionais.
- VBNC são células vivas e ativas que perderam a capacidade de se dividir em meio de cultura; matéria escura microbiana são grupos filogenéticos identificados apenas por DNA ambiental, sem células cultivadas.
- Um exemplo notável é o grupo CPR (Candidate Phyla Radiation), que pode reunir mais de 70 linhagens em nível de filo, identificadas principalmente por métodos independentes de cultivo. Até o momento, pouquíssimos representantes foram cultivados, e apenas em cocultura com bactérias hospedeiras.
- Metagenômica egenômica de célula única (MDA) permitem estudar o DNA desses organismos sem precisar cultivá-los.
- O registro de bioinsumos derivados de organismos hoje não cultiváveis depende do avanço das técnicas de produção em escala e da regulamentação.
O universo microbiano inexplorado do solo
O solo abriga uma diversidade microbiana impressionante, mas a maioria desses organismos permanece invisível aos métodos convencionais de cultivo.
Em uma grama de solo fértil, podem ser observadas até 10 bilhões de células microbianas ao microscópio.
No entanto, quando esse solo é plaqueado em meios de cultura tradicionais, o número de colônias formadas é algumas ordens de grandeza menor, o que representa menos de 1% do total.
Esse fenômeno, conhecido como anomalia da grande contagem em placas (great plate count anomaly), termo cunhado em 1985, evidencia que a imensa maioria dos microrganismos do solo não cresce nas condições oferecidas pelos meios de cultura padrão.
A discrepância entre o que se observa ao microscópio e o que se consegue cultivar em laboratório limita o acesso a uma vasta gama de funções metabólicas, genes e potenciais aplicações biotecnológicas. Esse paradoxo motivou o desenvolvimento de novas abordagens para acessar o universo dos microrganismos não cultiváveis.
VBNC e matéria escura microbiana: os enigmas ocultos do mundo microbiano
O termo VBNC (viable but non-culturable) refere-se a células metabolicamente ativas que perderam a capacidade de se dividir em meios de cultura convencionais.
Esses microrganismos podem ser reativados sob condições específicas, como mudanças de temperatura, exposição a compostos de sinalização ou redução de estresse ambiental.
Já a matéria escura microbiana engloba grupos filogenéticos inteiros identificados apenas por sequenciamento de DNA ambiental, sem que tenham sido cultivados.
Um exemplo notável é o grupo CPR (candidate phyla radiation), que reúne mais de 70 novos filos bacterianos descobertos exclusivamente por metagenômica, sem representantes cultivados.
Esses grupos representam uma fração relevante da diversidade bacteriana conhecida, estão presentes no solo e em outros ambientes e podem conter funções metabólicas inéditas.
Barreiras ao cultivo: por que a maioria dos microrganismos permanece fora do laboratório
Obstáculos dos meios de cultura tradicionais na microbiologia
Os meios de cultura tradicionais, geralmente ricos em nutrientes, simulam condições muito diferentes das encontradas no solo. Isso favorece o crescimento de microrganismos oportunistas e de rápido desenvolvimento, enquanto a maioria dos organismos do solo, adaptados a ambientes oligotróficos, não consegue se multiplicar nessas condições.
Além disso, muitos microrganismos dependem de fatores de crescimento produzidos por outros organismos, não sobrevivendo quando isolados. Outro fator limitante é a ausência de quorum sensing, mecanismo de comunicação química pelo qual as células liberam e detectam moléculas sinalizadoras para perceber a densidade populacional ao redor. Em diluições típicas do plaqueamento, a concentração dessas moléculas fica abaixo do limiar de percepção, e algumas espécies não iniciam a multiplicação.
Adaptações evolutivas que dificultam o cultivo de microrganismos
Diversos microrganismos do solo apresentam estratégias evolutivas que dificultam seu cultivo em laboratório. Alguns apresentam taxas de crescimento extremamente lentas, incompatíveis com os poucos dias de incubação das placas convencionais.
Outros dependem de consórcios metabólicos específicos, crescendo apenas na presença de parceiros naturais. Há ainda aqueles com metabolismo altamente especializado, exigindo substratos raros ou condições ambientais muito específicas, ausentes nos meios padrãode cultivo.
Avanços tecnológicos rompendo limites do cultivo microbiano
Metagenômica: decifrando comunidades microbianas pelo DNA
A metagenômica transformou o estudo dos microrganismos não cultiváveis ao permitir a extração direta do DNA do solo e o sequenciamento do conjunto de genes da comunidade.
Por meio da reconstituição de genomas a partir de fragmentos (MAGs, metagenome-assembled genomes), é possível identificar organismos, prever seu metabolismo e localizar genes de interesse, mesmo sem nunca ter cultivado o microrganismo.
Essa abordagem, no entanto, não distingue se o organismo estava vivo ou morto no momento da coleta, o que torna a técnica um indicador de potencial genético, e não de atividade biológica.
Genômica de célula única: revelando o genoma célula a célula
A genômica de célula única (single-cell genomics) permite a separação de células individuais do solo por citometria de fluxo, seguida da amplificação do DNA de cada célula (MDA, multiple displacement amplification) e sequenciamento do genoma, geralmente parcial.
Essa técnica possibilita a obtenção de informações genéticas de organismos nunca cultivados, funcionando como uma leitura individualizada do genoma de cada célula do microbioma do solo.
Cocultivo e abordagens disruptivas para isolar microrganismos
Novas abordagens de cultivo, como a cocultura com parceiros metabólicos naturais, câmaras de difusão que permitem a troca de moléculas com o ambiente do solo e meios baseados em extrato de solo, têm permitido o crescimento de microrganismos antes considerados intratáveis.
Essas técnicas buscam reproduzir as condições ambientais e as interações ecológicas do solo, aumentando as chances de sucesso no isolamento de novos organismos.
Novos horizontes para bioinsumos a partir de microrganismos não cultiváveis
Potenciais aplicações biotecnológicas dos microrganismos ocultos
A exploração dos microrganismos não cultiváveis abre caminho para a descoberta de novos metabólitos bioativos, como antibióticos, antifúngicos e elicitores, além de novos organismos e genes associados à fixação biológica de nitrogênio, parasitismo de nematoides e insetos, solubilização de fósforo e produção de sideróforos.
A diversidade metabólica desses organismos permanece praticamente inexplorada, representando uma fonte promissora para o desenvolvimento de bioinsumos de nova geração.
Bioprospecção microbiana: estratégias para descobrir novos aliados
A bioprospecção de microrganismos não cultiváveis envolve três etapas principais:
- A triagem computacional (in silico) de genes de interesse nos genomas reconstituídos por metagenômica;
- A expressão heteróloga desses genes, ou seja, sua transferência para organismos cultiváveis, como Escherichia coli, Bacillus spp. ou Streptomyces spp., que passam a produzir as moléculas codificadas;
- O cultivo guiado por informações genômicas, no qual os dados do genoma orientam a escolha de nutrientes e condições de crescimento.
No Brasil, centros de pesquisa como a Embrapa (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária), USP (Universidade de São Paulo), UFV (Universidade Federal de Viçosa) e Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) desenvolvem pesquisas em microbiologia e metagenômica do solo, ampliando o acesso ao potencial biotecnológico do microbioma do solo.
Perspectivas e tendências para o mercado de bioinsumos
Projeções para a próxima década em bioinsumos microbianos
A expectativa é que, com o avanço das técnicas de cultivo e de produção em escala, bioinsumos derivados de organismos hoje não cultiváveis cheguem ao registro agrícola nos próximos anos.
O Brasil, por sua enorme diversidade microbiana do solo, possui elevado potencial para a bioprospecção e o desenvolvimento de soluções inovadoras para a agricultura.
Barreiras regulatórias e desafios científicos no avanço dos bioinsumos
Apesar do potencial, desafios importantes permanecem. A regulamentação de organismos não cultiváveis pelo MAPA (Ministério da Agricultura e Pecuária) ainda é incerta.
A produção em escala, seja por síntese do metabólito ou uso do organismo vivo, apresenta obstáculos técnicos distintos. Além disso, a avaliação de risco de organismos completamente novos exige processos mais longos e complexos, demandando rigor científico e regulatório.
A revelação do universo dos microrganismos não cultiváveis representa uma das mais promissoras fronteiras para a inovação em bioinsumos agrícolas. O avanço das técnicas moleculares e a integração de dados genômicos com estratégias de cultivo inovadoras estão ampliando o acesso a funções metabólicas inéditas, com potencial para transformar o manejo sustentável das culturas.
A Syngenta está ao lado do produtor rural em todos os momentos, oferecendo as soluções necessárias para construirmos, juntos, um agro cada vez mais inovador, rentável e sustentável.
Confira a central de conteúdos Mais Agro para ficar por dentro de tudo o que está acontecendo no campo.
Perguntas frequentes
1. Por que a maioria dos microrganismos do solo não pode ser cultivada em laboratório?
Porque os meios de cultura tradicionais simulam condições muito diferentes do solo — muitos microrganismos dependem de parceiros metabólicos, crescem muito lentamente ou exigem condições específicas ausentes nos meios padrão.
2. O que é VBNC?
Viable but non-culturable: células metabolicamente ativas que perderam a capacidade de se dividir em meio de cultura convencional, mas que podem ser reativadas sob condições específicas.
3. O que é a matéria escura microbiana?
Grupos filogenéticos identificados apenas por DNA ambiental, sem células cultivadas.
4. Como a metagenômica ajuda a estudar microrganismos não cultiváveis?
Permite extrair o DNA diretamente do solo e reconstruir genomas a partir de fragmentos (MAGs), identificando organismos e prevendo seu metabolismo mesmo sem nunca tê-los cultivado.
5. Quando o primeiro bioinsumo de um organismo não cultivável deve chegar ao mercado?
Não há prazo definido. A chegada desses produtos ao mercado depende do avanço das técnicas de produção em escala e da regulamentação específica.
6. Quais os principais obstáculos regulatórios para esses futuros bioinsumos?
A Lei nº 15.070/2024 estabeleceu o marco legal dos bioinsumos, mas a regulamentação complementar ainda está em elaboração. Além disso, a avaliação de risco de organismos totalmente novos tende a exigir processos mais longos e complexos.
Deixe um comentário