Mudanças epigenéticas, passadas para as novas gerações, podem resolver o paradoxo da resistência rápida

A era moderna dos pesticidas começou na década de 1860, quando os fazendeiros do Meio-Oeste começaram a matar esses besouros pulverizando-os com uma tinta colorida chamada Paris Green, que continha arseniato de cobre. Os besouros logo superaram esse veneno, assim como o arseniato de chumbo, o mercúrio DDT e o dieldrin, e mais de cinquenta outros pesticidas. No início, com qualquer novo produto químico, muitos besouros morrem, mas nenhum dura muito. Os besouros desenvolvem resistência, geralmente dentro de alguns anos, e continuam a mastigar alegremente seu caminho através de vastos hectares de batatas em fazendas e jardins ao redor do mundo.

Os cientistas não entendem muito bem como essa criatura realiza esse truque. A teoria evolucionária atual, centrada no DNA, falha em explicar o rápido desenvolvimento de resistência a pesticidas. Embora o besouro mostre muitas variações genéticas, é provável que as novas mutações de DNA não ocorram com frequência suficiente para permitir que desenvolvam resistência a tantos tipos de pesticidas, tão rápido, repetidamente.

Mas agora um estudo, o primeiro desse tipo, chega dramaticamente mais perto de uma explicação.

Uma equipe de pesquisadores, liderada pela professora Yolanda Chen, da Universidade de Vermont, mostra que mesmo pequenas doses do pesticida neonicotinóide, o imidaclopride, podem alterar a maneira como o besouro manipula seu DNA. Para se defender contra pesticidas, sugere a nova pesquisa, o besouro pode não precisar alterar seu código genético subjacente. Em vez disso, a equipe descobriu que os besouros respondem alterando a regulação de seu DNA, ligando ou desligando certos genes em um processo chamado “metilação do DNA”. Essas chamadas mudanças epigenéticas permitem que os besouros aumentem rapidamente os mecanismos de defesa biológica, talvez ativando os genes existentes que permitem que o besouro tolere uma ampla gama de toxinas encontradas na batata.

Uma descarga mais rápida de enzimas ou taxa de excreção pode permitir que o inseto bloqueie cada novo pesticida com as mesmas ferramentas bioquímicas antigas que usa para superar as defesas naturais das plantas, em vez de depender do pesado processo evolutivo de mutações aleatórias que aparecem. em genes-chave, o que lentamente faria com que um pesticida se tornasse menos eficaz.

Mais importante ainda, o novo estudo mostra que essas mudanças, causadas mesmo por pequenas doses do pesticida, podem ser transmitidas para a descendência por pelo menos duas gerações. “Encontramos os mesmos padrões de metilação do DNA na geração dos netos. Isso foi surpreendente porque eles não foram expostos ao inseticida”, disse Chen.

Em várias outras espécies de insetos, foi demonstrado que a exposição a pesticidas altera a metilação do DNA. E algumas mudanças epigenéticas foram observadas para serem transmitidas às gerações futuras de espécies de reprodução assexuada, como o pequeno crustáceo. Daphnia magna. “Mas há muito se presumia que a epigenética fosse restaurada durante a reprodução sexual”, diz Kristian Brevik, principal autora do novo estudo, que concluiu seu doutorado no laboratório de Chen. “Que essas mudanças possam ser transmitidas, por meio de múltiplas rodadas de reprodução sexual, para as futuras gerações de insetos, isso é novo.”

O estudo foi publicado na edição de dezembro da revista. Aplicações evolutivas.

FORA DA ESCADA ROLANTE?

No último meio século, pesquisadores agrícolas e empresas químicas gastaram milhões no desenvolvimento de compostos químicos inovadores para tentar matar esse besouro que causa danos de centenas de milhões de dólares, e quase todos eles acabam falhando. “Talvez seja hora de sair da rotina de pesticidas de tentar introduzir produtos químicos cada vez mais tóxicos e reconhecer que a evolução acontece, independentemente do que jogamos com eles”, disse Yolanda Chen. “Poderíamos ser mais estratégicos para entender como funcionam os processos evolutivos e investir em abordagens mais verdes que permitam que a agricultura seja mais sustentável.”

REVOLUÇÃO EM EVOLUÇÃO

A epigenética é um campo cada vez mais quente. Basicamente, é o estudo de como o estresse ambiental, da fome à poluição do ar e aos pesticidas, pode adicionar ou remover marcas químicas no DNA de um organismo, acionando um interruptor genético que muda sua saúde e comportamento.

A metilação do DNA foi demonstrada pela primeira vez no câncer humano em 1983 e, desde o início dos anos 2000, a revolução epigenética na biologia começou a revelar como a mudança ambiental pode ligar ou desligar certos genes, levando a mudanças profundas em um organismo sem alterar seu DNA. E é sabido que muitos insetos em áreas agrícolas desenvolvem resistência a pesticidas; Não são apenas os besouros da batata do Colorado. Mais de seiscentas espécies desenvolveram resistência a mais de trezentos pesticidas, com dezenas de milhares de relatos em todo o mundo. Um crescente corpo de pesquisas mostra que muitos deles envolvem mecanismos epigenéticos.

Em seu experimento, os cientistas da UVM, com um colega da Universidade de Wisconsin, coletaram besouros adultos de fazendas orgânicas em Vermont. Eles dividiram os filhotes, tratando-os com diferentes doses do pesticida imidaclopride (alguns altos, outros baixos, alguns até mesmo um produto químico menos tóxico semelhante ao imidaclopride) e alguns apenas com água. Após duas gerações, os besouros cujos avós foram tratados com qualquer nível de pesticida apresentaram menos metilação geral, enquanto os expostos à água não. Muitos dos locais onde os cientistas encontraram mudanças na metilação estão com genes associados à resistência a pesticidas. A resposta paralela em todos os tratamentos com pesticidas sugere que “a mera exposição a inseticidas pode ter efeitos duradouros na epigenética do besouro”, diz Chen.

Uma coisa é sugerir que o estresse muda um determinado organismo, outra bem diferente é sugerir que as características físicas que ele adquire por meio do estresse ou do comportamento podem ser transmitidas de geração em geração. Um ferreiro que se fortalece após uma vida de trabalho árduo não deve esperar que seus filhos também sejam extraordinariamente fortes. Então, por que algum estresse leva a uma mudança duradoura?

As bases da epigenética permanecem atoladas em controvérsia, em parte porque tem sido ligada a teorias amplamente desacreditadas da “herança de caracteres adquiridos”, uma ideia antiga que remonta a Aristóteles e está mais fortemente associada a Jean-Baptiste Lamarck, século XIX. Naturalista francês do século 21 que propôs que os organismos transmitissem características usadas ou não usadas para seus descendentes.

Embora as ideias de Lamarck tenham sido anteriormente desacreditadas pelos biólogos evolucionistas, a revolução epigenética está deixando claro que a evolução por seleção natural não precisa depender apenas de mutações vantajosas aleatórias que aparecem no código genético. No caso dos besouros da batata do Colorado estudados na UVM, a pesquisa sugere que os pesticidas podem ativar uma série de interruptores epigenéticos, alguns dos quais podem aumentar a produção de defesas existentes contra toxinas, enquanto as alterações A metilação do DNA pode desencadear porções do DNA chamadas elementos transponíveis. “Esses elementos também são chamados de ‘genes saltadores’ e estão mais relacionados aos vírus”, diz Chen, professor do Departamento de Ciência de Plantas e Solo da UVM e membro do Instituto Gund para o Meio Ambiente. “Devido ao seu efeito prejudicial sobre os genomas do hospedeiro, eles são geralmente suprimidos pela metilação do DNA.” Mas a exposição a pesticidas, sugere a nova pesquisa, pode deixá-los soltos, permitindo que mais mutações associadas à resistência a pesticidas se desenvolvam.

Em resumo, a interação dinâmica entre epigenética e genética aponta para uma explicação para a realidade amplamente inexplicável da rápida evolução e resistência aos pesticidas. Como essas mudanças são transmitidas por várias gerações de recombinação sexual permanece um mistério, mas o novo estudo sugere fortemente que sim. “Temos mais a aprender”, diz Chen, “sobre como as pessoas podem gerenciar melhor a evolução.”