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Fisiologia de Insetos:Aplicações na agricultura, na biomedicina

e no desenvolvimento de robôs

Prof. Eugenio E. OliveiraPrédio da Entomologia, Sala 309

Fone: 3899 4005, email: [email protected]

Questionamentos

FISIOLOGIA RESPONDE

Insetos possuem sistema de defesas?

Insetos nos causam algum benefício ou malefício?

Por que é tão difícil matar uma barata?

Existem insetos do tamanho de um elefante?

Sumário

I. Implicações na Agricultura

conceitos

desenvolvimento de moléculas inseticídicas

desenvolvimento de plantas transgênicas

II. Implicações na biomedicina

mel e derivados

venenos

substâncias de defesa

sistema imune

III. Implicações no desenvolvimento de robôs

desenvolvimento de robôs

física e fisiologia (conceitos)

exploração de outros planetas

1962

1970

1970

1995

0 1000 2000 3000

Medicina e afins

Exatas

Agricultura, ciências dos alimentos e meio ambiente

Robôtica, Astronomia e Mecânica

Artigos

Insetos como animais-modelo

Implicações na Agricultura

I-Implicações na agricultura

Fisiologia da percepção e da emissão de estímulos

Todo inseto tem que morrer? Como matar os maléficos?

• Amostragem

• Índices de tomada de decisão

• Químico• Biológico aplicado• Comportamental• Cultural• Resistência de plantas• Biológico natural• Etc...

• Identificação das pragas

• Identificação dos inimigos naturais

• Fenologia da cultura

• Clima

• Metas e objetivos

• Planejamento

• Histórico da área

Estratégias de manejo

Avaliação do agroecossistema

Sistema de tomada de

decisão

Táticas de controle



Desenvolvimento de moléculas inseticidas


1. Desenvolvimento de um pesticida

Tempo: 10 - 12 anos

Custo: 200 a 250 milhões de dólares

50.000 Substâncias são sintetizadas a cada ano

500 São selecionadas como possíveis candidatas

50 Vão para ensaios de campo

2 São apresentadas para registro

1 Vai para o mercado

Inseticida

externo

Integumento

Ligação ou estocagem

em tecidos

indiferenciadas

Sítio de

ação

Excreção

Tecidos

metabólicos

Conteúdo livre

no fluido

circulatório

Composto Original

MetabólitosLipoproteínas e outras

Barreiras à penetração

Penetração

Conteúdo

ligado no fluido

circulatório


2. Como eliminar insetos?Potenciais vias fisiológicas dos inseticidas no inseto

3. Mecanismos de Ação de Inseticidas


Seletividade a organismos não alvos


1200 >5000DL50

(mg/Kg)

Exemplo de seletividade:

a DOSE determina o VENENO (Paracelcius 1508)

4. Como manter a eficiência dos inseticidas


WHY SPRAYS DON’T WORK?S

Modified from Frishman and Schwartz (1980)


Mecanismos de resistência a inseticidas

Sequestro em estruturas

insensíveis ou quimicamente

inertes

Redução da

penetração

Redução da

sensibilidade

do sítio de ação

Aumento de

destoxificação

metabólica

Mecanismos

Comportamentais

Mecanismos

Fisiológicos

Mecanismos

Bioquímicos


Desenvolvimento de plantas transgênicas


Plantas transgênicas: controle de insetos pragas

Patógenos como fonte de ferramentas para matar insetos

Insetos como fonte de ferramentas para matar Patógenos?


Plantas transgênicas: controle de fitopatógenos

Videiras expressando cecropinas para controle de Xylella fastidiosa

cecropinas e atacinaspeptídeos encontrados inicialmente em Hyalophora cecropia


Plantas transgênicas: controle de fitopatógenoscecropinas e atacinaspeptídeos encontrados inicialmente em Hyalophora cecropia

Macieiras expressando attacinas para controle de “fire blight” (Erwinia amylovora)

Bollar et al.1999.Phytopathology 90:72-77

Implicações na Biomedicina

II-Implicações na biomedicina


• Mel e derivados

– Produção mundial estimada em US$ 1.7 bilhões

– Mel: morte de bactérias resistentes a antibióticos

(Staphylococus aureus)

– Geleia real: estimulante de crescimento de neuritos

– Mel e geleia real: Tratamento de queimaduras e ferimentos a partir da

liberação de citoquinonas TNF-a de macrófagos/monócitos. Ações da

proteina Apalbumina (principal componente da geléia). Rejuvenescimento

facial

– Própolis: morte de células cancerígenas de pâncreas

Ratcliff et al. 2011


• Venenos de insetos (abelhas) Cocktails contendo peptídeos, enzimas, neurotoxinas, lipídeos e aminas com excelentes propriedades farmacêuticas

– Melitina:

• alergênico presente no veneno de abelhas, responsável pela dor, inflamação e hipersensibilidade.

• Controle de leucemia, câncer de próstata, de ovário, de mama, e etc.

• Ativa fluxos de Ca++ para o interior da célula causando morte celular

• Também possui atividade anti-baceriana, antifúngica (novos usos)

• Outros compostos: quininas (vespas,

peptídeos nociceptivos mais potentes que morfina), solenopsinas (de formigas, anti-angiogênesis) Melanoma em rato

Paederus irritans Queimadura causada pelo potó

Pederina

• Substâncias de defesa:

• Cantaridinas: produzidas por coleópteros “blister beetles”-Terpenóides tóxicos capazes de causar queimaduras



- Medicina chinesa tradicional:

• Macerados de Lytta vesicatoria (Coleoptera) era recomendado como afrodisíaco (“Spanish fly” ), alta *cantaridina+

- Medicina moderna:

• Controle de diversos tipos de câncer (leucemia, câncer coloretal,

de ovário, de mama, melanomas e etc.)

• Previne o desenvolvimento de células cancerígenas e induzem a

apoptoses das mesmas

• Apresenta relativa toxicidade para o sistema urinário de

mamíferos, porém menos tóxico para medula óssea.

• Necessita de formas eficientes de carreadores

• Presente nupcial: Ovos quimicamente protegidos

• Cantaridina

Neopyrochroa flabellata


- larvas secretam substâncias que possibilitam reparos

teciduais

- larvas alimentam-se de tecidos necróticos

- larvas alimentam-se de patógenos e elimina-os

- larvas secretam peptídeos anti-patógenos


• Utilização de larva-terapia


• Sistema imune dos insetos como fonte de novos fármacos

• Sucesso de ocupação em diversos nichos repletos de agentes microbianos

• Peptídeos antibacterianos


Sistema imune dos insetos como fonte de novos fármacos

• Capazes de eliminar bactérias resistente a antibióticos

• Testes clínicos ainda não deslancharam

• Custos elevados (800 milhões de dólares em 10-12 anos)

• Toxicidade (melhores carreadores) e instabilidade (bioengenharia)


Mecanismo Humanos (Vertebrados)

Insetos (Invertebrados)

Resposta celular Leucócitos (sangue) Hemócitos (Hemolinfa)

Resposta humoral

Fígado-fagócitos (citocininas no

sangue)

Tecido adiposo (peptídeos na

hemolinfa)

Invertebrados

Células cristal: melanização

• Peptídeos antibacterianos


Pharmacological Reviews 63:411-426, 2011

Vantagens:• ̴75% dos genes causadores de doenças em

humanos tem ortólogos em Drosophila

• Utilização de engenharia genética

• Regulação menos complicada (painless)

• Baixos custos de manutenção

• Menor tempo de geração (12 dias)

• Utilização tanto em prospecções iniciais de substâncias como em validação in vivo de compostos com atividades já identificadas

• Insetos como animais-modelo em farmacologia

Implicações no

Desenvolvimento de robôs

Implicações no desenvolvimento de robôs

Seria possível insetos gigantes?

NÃO

Limitações


Sistema circulatório aberto: ausência de “coração”

Sistema respiratório: via tracheas

Maiores sensibilidades a força gravitacional: Peso do exoesqueleto

Exoesqueleto: quantidade de material necessário para mudas


Possivelmente não, mas eles já foram maiores que os atuais. Como?

Quantidade de O2 (35%)

Já existiu insetos do tamanho de um elefante?

> 925.000 insetos


Qual a razão para se criar robôs baseando-se na

fisiologia de insetos?

Hymenoptera: 125.000Diptera: 120.000

Lepidoptera: 150.000Coleoptera: 350.000


Gafanhotoslongas distâncias (monitoramento de vastas áreas)

AbelhasHalterofilista (construção civil)

Libelulaspredadores

(precisao e agilidade de movimentos)


Büschges et al. 2011. Current Biology 21: 513-524


locomoção


Exemplos de robôs (simples redes para diferentes tarefas)


Perspectivas: Robótica espacial

Cobertura de superfície (vôo)

Integração de sistemas durante o vôo

Alçar vôo e aterrisagem

Tamanho


Entomopter


Acta Astronautica, 68:1790-1799, 2011

“Swarm intelligence”: Inspirados em Apis mellifera

Características : Tomada de decisões e cooperação

Perspectivas: Robótica espacial

Outras possibilidades

Outras possibilidades de utilização

Memória e AprendizagemCasos policiais e Segurança pública

Condicionamento pareado

Substância não condicionante: Sacarose

Substância condicionante: Odor


Memória e AprendizagemCasos policiais e Segurança pública

Treinamento

3 meses 10 minutos

Precisão

Abelha: 98% Cães: 71%

Sustentabilidade

U$ 5,000-10,000

Custos


Memória e Aprendizagem: Casos policiais e Segurança pública

Obrigado pela sua atenção

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